复旦大学彭慧胜Adv. Funct. Mater：将传感纤维编织成电化学织物进行实时健康监测

【引言】

可穿戴传感技术已经在生物医学领域中获得越来越多的关注，因为它们可以通过实时检测各种生理信号来有效地监测健康状况。传感部件通常制成薄膜，以不同的传感材料作为不同位置的功能单元，保证高度灵活性。然而，薄膜传感器在使用过程中容易破裂，因为它不能适应柔软或不规则的身体表面。此外，它们既不透气也不舒适，而舒适性和透气性是可穿戴电子产品非常需要的。上述困难在很大程度上限制了可穿戴传感器的进一步发展。另外，织物传感器需要长期使用而不会给使用者带来不适，并且可以在实际应用中大规模制造。然而，目前还没有这种集成的织物传感器。

【成果简介】

近日，在复旦大学彭慧胜教授（通讯作者）团队的带领下，展示了集成电化学织物作为一种有前途的可穿戴平台，通过编织不同类型的传感纤维实时健康监测。通过将活性材料涂覆到碳纳米管（CNT）纤维上以形成同轴结构来构造传感纤维。测试了几种代表性生理信号（例如，葡萄糖、Na⁺、K⁺、Ca²⁺和pH）以证明新型织物传感器的有效性。由此产生的集成织物在重复变形（包括弯曲和扭曲）下保持结构完整性和检测能力。它们显示了实时监测人体健康状况的能力，具有高效性。相关成果以题为“Weaving Sensing Fibers into Electrochemical Fabric for Real-Time Health Monitoring”发表在了Adv. Funct. Mater上。

【图文导读】

图1 编织传感纤维制造电化学织物的示意图

通过编织传感纤维制造电化学织物的示意图，其通过在碳纳米管（CNT）纤维基底上沉积活性材料制成。

图2传感纤维的表征

a）在弯曲角度为90°时，弯曲循环次数对纤维电极上电阻的依赖性。这里R₀和R对应于弯曲前后的电阻。插图显示了纤维电极的初始电阻。

b）在含有Fe(CN)₆^3-/^4-的磷酸盐缓冲盐水（PBS）中不同纤维电极的CV曲线（用商业Ag/AgCl电极扫描速率为100 mV s^-1）。

c）碳纳米管纤维、碳纤维和金丝电极的归一化面积。

d-e）分别在低和高放大倍数下CNT纤维的SEM图像。

f-g）分别为PB和葡萄糖感应纤维的葡萄糖氧化酶层的SEM图像。

h）一卷葡萄糖感应纤维的照片。

i-j）分别为葡萄糖感应纤维包裹在管子周围和编织成具有“传感器”字母的织物。

图3不同的分析物溶液监测传感纤维的性能

a）与商业固态Ag/AgCl电极相比，合成后的Ag/AgCl纤维电极的电位稳定性。b）葡萄糖感应纤维对磷酸盐缓冲盐水（PBS）中各自分析物溶液的计时电流响应。

c-f）Na⁺、K⁺、Ca²⁺和pH传感纤维对PBS中各分析物溶液的开路电位响应。

图4 L不同传感纤维的重现性测试

a-e）分别为葡萄糖，Na⁺、K⁺、Ca²⁺和pH传感纤维的重现性。四种颜色代表每种传感器的四种不同样品。

图5不同传感纤维对个体的干扰研究

a-e）分别为葡萄糖，Na⁺、K⁺、Ca²⁺和pH传感纤维对个体的干扰研究

图6集成不同种类传感纤维的电化学织物的性能表征

a）织物中葡萄糖感应和Ag/AgCl参比纤维的SEM图像。

b）在浸泡之前和之后（模拟汗液）的电化学织物的照片。

c）弯曲和扭曲下电化学织物的照片。

d）在反复弯曲和扭曲下电化学织物中传感纤维的柔韧性。

e）电化学织物中传感纤维的系统级干扰研究。

图7集成电化学织物的应用和示范

a）受试者跑步时穿着服装装置的照片。插图显示了定制开发的应用程序通过智能手机无线接收数据。

b）使用服装设备进行实时汗液分析。

c）将收集的汗液样品的原位数据与原位样品进行比较。使用传感纤维测量。通过使用ICP-AES（Na⁺、K⁺和Ca²⁺），pH计（pH）和酶-电极法（葡萄糖）测量。

【小结】

团队通过集成不同类型的传感纤维作为实时健康监测的强大平台，开发出可穿戴电化学织物。织物同时获得五种生理信号，即葡萄糖，Na⁺，K⁺，Ca²⁺和pH，并且在重复变形（例如弯曲和扭曲）下可以很好地保持传感性能。这项工作为下一代可穿戴传感器和其他柔性电子设备的开发提供了一般而有前景的策略。据我们所知，这是第一份集成电化学织物传感器的报告，可有效检测各种生理信号。该报告为可穿戴传感器开辟了新的方向，在不久的将来，它可能被商业化应用于多种应用。另一方面，未来仍需要进一步改进实际应用。

文献链接：Weaving Sensing Fibers into Electrochemical Fabric for Real-Time Health Monitoring（Adv. Funct. Mater,2018,DOI：10.1002/adfm.201804456）

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