UCLA陈俊教授: 用于医疗保健和可持续发展的智能织物

材料人编辑小单 2年前 (2022-07-24) 1941浏览

织物历史悠久，随着人类文明的诞生而出现。“征人战苦束刀疮”，织物是对刀痕箭瘢的呵护；“云想衣裳花想容，春风拂槛露华浓”，织物是对眉目如画的点缀；“岂曰无衣？与子同袍”，织物亦是推己及人的大爱。因此，织物是人类文明的重要产物，其发展对人类文明的进程产生了超乎想象的影响。织物的生产途径广泛，可以跟许多材料组合在一起形成质感各异的衣物，加工纺织品的原材料可以是天然材料, 比如蚕丝、羊毛和棉花等，还可以是各类化学合成材料，如肽、聚酰胺和聚酯等。近年来，由柔性电子和通信技术进步带来的物联网技术快速发展，与生物医学设备有机融合的智能纺织品将会在人们日常生活和医疗救治方面扮演更加重要的角色。

首先, 用于医疗保健的智能纺织品能够为（1）开发先进的护理点（2）进行个性化诊断及治疗等干预措施提供有力的方法，这两者都包括了基于物理和化学的解决方案。将智能织物发展成可穿戴医疗器件，不仅可以使得个性化医疗平台获得与传统织物材料相类似的生物相容，生物可降解，甚至生物可吸收等特性，还可以使其具有纺织品的优良的穿戴舒适度。将诊断、治疗和保护功能融入人们的日常纺织品中是发展个性化医疗保健的一个关键而有力的方法[1, 2]。目前开发的智能纺织品可以通过持续监测为有关患者提供重要生理信息，以及通过高度网络集成将数据快速传递到临床实践。在这一过程中，用于医疗保健的智能纺织品的大规模扩展具有微型和低功耗消耗的特点，最终可以重新定义以疾病为导向的行业，并将其转变为更具预测性、预防性和参与性的行业。穿着舒适的智能纺织品将在物联网时代发挥远程医疗的关键作用，将会征服未来的医疗领域。

其次, 智能纺织品可以促进人类社会的可持续发展。能源危机和全球变暖严重限制了人类文明可持续发展的能力，增加可再生能源和减少能源消耗是实现可持续性的基本步骤。智能纺织品除了在医疗保健方面具有巨大潜力外，它们还可以通过能量收集和节能来促进人类可持续发展战略的实施。一方面，智能纺织品作为与人类日常活动接触最为紧密的载体，可以搭载各类柔性能量转换装置实现对人体或外界产生的冗余物理和化学能量的收集与储存，并为其他电子设备供电，为人类提供可持续的生活方式。通过产生自己的电力供应并保留现有能源，智能纺织品不仅能为医疗保健行业的面向个性化和智能化的发展做出巨大的积极贡献，而且通过回收可再生能源为可持续发展战略提供了一种绿色环保的解决方案，并最终实现减轻人类对化石燃料的依赖性。另一方面，基于材料科学、纳米科学和纳米技术创新的智能纺织品现在以更加个性化和节能的方式在人体体温调节中发挥着重要作用。温度调节纺织品能够通过提高建筑能源效率来节省大量的供暖和制冷能源，从而为可持续能源的未来做出贡献。

一方面可以进行周边环境的能量采集。我们可以使用纺织品从人体及其周围环境获取能量以进行系统监测。这些纺织品能够将生物力学运动、体热和体液以及太阳能转化为电能，这些电能可以作为人体生物电子的可持续电源[3]。人类对移动电子设备需求的增加大大增加了如电池和超级电容器的产能。然而，大多数电池系统对人体和环境均具有较高的安全风险，其有限的使用寿命和较高的回收难度是当前面临的重要挑战，而且较大的体积使其不适合长时间佩戴而严重降低了用户使用的舒适性。近年来，研究的重点是开发纺织能量收集和存储机制，并将其整合到服装中，为第三方医疗诊断和治疗设备提供动力。由于人体从头到脚接触纺织服装的范围很广，因此提供一个全身体传感器/治疗网络系统是一个具有重要实用价值的研究方向。随着对人体健康的持续和实时感知的需求，以及当前许多医疗设备需要外部电源，智能纺织品可以在为第三方生物传感器提供外部能量方面发挥作用。并且当前较为成熟的工业编织技术提供了大规模制造的可能性。

另外一方面, 能量收集带来了节能解决方案。 用于个性化体温调节的智能纺织品还可以通过节能来促进可持续性[4]。体温调节是身体稳定人体内部温度的一种稳态机制。 过去为人类实现热生理舒适的技术是基于整个建筑物中成本高昂的空间加热和冷却系统。 专注于个人热生理舒适度，纺织品已被用于以更加个性化和节能的范式促进体温调节。这可以促进以更加个性化和节能的范式进行个人体温调节。这个新兴的智能保暖纺织品领域不仅有助于保持个性化的热生理舒适性，而且还推动了更可持续的身体加热和冷却替代方案。

最后, 智能纺织品对医疗保健和可持续性的影响需要大量的学术领域内的努力和行业标准方面的考虑，这有助于该领域用于未来基于 5G 网络的渗透和物联网的普及。由于其广泛的体表面积覆盖范围，各种形式的智能纺织品正成为未来个性化医疗保健的重要组成部分，从人体区域网络的角度来看，智能纺织品具有实时诊断和治疗的重要属性。此外，利用体热、生物机械能、太阳能在各种能量收集和保护平台中的前沿采用也有助于提高可持续性。

尽管如此，当前智能纺织品的发展主要限于实验室规模的制造，仅有少量实现工业规模生产。为了其未来的市场化做好准备，与传统电子产品相比，纺织品需要更高的输出性能，并且需要实现工厂化的大规模生产。因此，在此对该领域的未来发展进行展望，我们应该进行材料创新和效率提升方面的学术研究，工业方面则需要解决大规模制造和有关安全和许可标准化指南的问题。

作者简介:

陈俊博士现任加州大学洛杉矶分校生物工程系助理教授，并创建了可穿戴生物电子实验室，致力于以纳米技术和生物电子为基础的，以智能织物、可穿戴器件和人体局域网为形式的，在能源、传感、环境和医疗领域内的前沿应用研究。已经出版书籍2册，论文240多篇，其中以通信作者在Chemical Reviews (2), Chemical Society Reviews (2), Nature Materials, Nature Electronics (3), Nature Communications (2), Science Advances, Joule (3)，Matter (8)，Advanced Materials (10) 等刊物发表论文140余篇。其作品七次入选Nature和Science杂志研究热点，并被 NPR、ABC、NBC、路透社、CNN、《华尔街日报》、《科学美国人》、《新闻周刊》等世界主流媒体共计 1200 余次。他目前的H指数为85，连续2019，2020, 2021年入选Web of Science 全球高被引学者。陈俊博士现任Biosensors and Bioelectronics 杂志的副主编，也是Matter, Cell Reports Physical Science, The Innovation, Nano-Micro Letters, Materials Today Energy, Biomedical Technology等国际期刊的编委会成员。UCLA课题组主页:https://www.junchenlab.com/

参考文献:

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