综述：织物内传感器的人体健康应用
2024-06-09 15:44:18   来源：麦姆斯咨询   评论：0   点击：

过去几十年来，人们对能够实时健身跟踪、疾病预警以及其它人体健康应用的需求激增，推动柔性可穿戴传感器市场迅速扩大。许多知名消费终端和医疗设备都采用了可穿戴传感器技术，例如智能手机、Fitbit和脉搏血氧仪等。可穿戴传感器凭借极具竞争力的硬件性能、紧凑的设计和较低的成本，在医疗领域得到了普遍应用。例如，通过院外非卧床环境的康复治疗，可穿戴技术降低了这类专业治疗的总体成本。

可穿戴传感器需要具备较高的稳定性、特异性和灵敏度，才能用作个人医疗保健工具。过去几年中，研究人员一直致力于提高可穿戴传感器监测个体健康参数的准确性、有效性和舒适性。织物内传感器，是可穿戴传感器的一个重要子类别。织物内传感器（通常包括电子织物传感器）正在从电池供电转向自供电替代解决方案，例如基于织物的能量采集，同时保留了与普通衣物一样的洗涤特性和柔性。这是电子织物传感器相对于电池供电可穿戴传感器的独特优势。

纳米材料具有高导电性、快速电子传递动力学和大长宽比，可显著提高可穿戴传感器的性能，因此，织物内传感器在制造中应用了各种纳米材料。例如，基于金属纳米颗粒（即银、铜和金）的溶液或油墨被广泛应用于纺织品印花和涂层工艺，可在纤维或织物表面形成高导电层。不过，金属纳米颗粒溶液/油墨价格昂贵，对环境不友好，而且不具有生物相容性。

碳基纳米颗粒（即石墨烯、碳纳米管和炭黑）在织物内传感器的制造方面具有很大潜力，因为其产品具有很高的导电性和机械强度，而且其悬浮液作为廉价商品方便大量获得。聚合物是绝缘体。然而，一些基于共轭骨架（具有sp²杂化碳原子）的复合材料具有半导电性。因而具有许多独特的化学和物理特性，如长度可控、重量轻以及良好的热力学特性等，因此有望成为织物内传感器的候选材料。

电子织物纳米材料传感器概览

迄今，随着纳米技术的发展，各种纳米材料（主要是无机或金属氧化物）已被成功引入合成纤维，生产出一系列独特的功能化纤维。这些多功能纤维能够制作具有能量收集、能量存储以及健康监测功能的智能服装。

据麦姆斯咨询介绍，英国伦敦大学玛利皇后学院的研究人员近期在Advanced Materials Technologies期刊上发表了一篇题为“A Narrative Review of In-Textile Sensors in Human Health Applications”的叙述性综述，概述了具有纳米材料功能的可穿戴传感器在人体健康监测方面的最新进展和创新。文章叙述了采用纳米材料制造的电子织物、纳米材料的独特特性以及纳米材料在医疗保健领域的应用（例如检测体液中的化学物质、生理信号以及运动状态）。最后，文章还展望了利用纳米材料制造可穿戴传感器及其应用的未来前景。

该论文总览了三种用于制造织物内传感器的纳米材料，包括：聚合物基纳米材料、碳基纳米材料和金属基纳米材料。聚偏二氟乙烯（PVDF）、聚苯胺（PANI）和聚（2,3-二氢噻吩并-1,4-二恶英）-聚（苯乙烯磺酸盐）（PEDOT:PSS）是最常用的聚合物基纳米材料，在提供柔性和增强电极工作所需要的压电特性方面被证明是有效的。单壁碳纳米管（SWCNT）是最受欢迎的碳基纳米材料，因为它具有柔性，而且其它材料也很容易与SWCNT结合在一起。在金属基纳米材料方面，银纳米颗粒因其稳定性、导电性和合成便利性而最为常见。

碳基纳米传感器

金属基纳米传感器

聚合物基纳米传感器

未来方向

面向人体健康应用，采用可回收材料（例如碳黑纳米球）可能成为将聚合物基、碳基和金属基纳米材料用于织物传感器的未来研究方向之一。这不仅可以通过再利用来清洁大气中的废气废物，还可以为健康应用开发高灵敏度的织物。

未来的另一个发展方向，可能是更多地使用以爆米花形状著称的金包铜纳米多孔基底（AuNPC）或其它纳米颗粒，从而进一步增强制造工艺。采用金属二硫化钼（MoS₂）纳米片及生长的金纳米结构的制造工艺，能够在不到5分钟的时间内制造出具有必要机械和传导性能的导电纤维，是快速制造织物内传感器的理想选择。

织物内传感器的人体健康应用最有前景的未来方向，是通过开发自供电织物内传感器来消除电池的使用。已有研究利用摩擦电纳米发电机开发出自供电电化学系统，用于检测汗液中的乳酸盐浓度。随着再生材料的使用、快速制造以及自供电器件的进一步发展，这些织物内健康监测系统将很快在医患的日常生活中得到广泛应用。

延伸阅读：

《印刷和柔性传感器技术及市场-2024版》

《电子织物和智能服饰技术及市场-2023版》