復旦大學彭慧勝Adv. Funct. Mater：將傳感纖維編織成電化學織物進行實時健康監測

【引言】

可穿戴傳感技術已經在生物醫學領域中獲得越來越多的關注，因為它們可以通過實時檢測各種生理信號來有效地監測健康狀況。傳感部件通常制成薄膜，以不同的傳感材料作為不同位置的功能單元，保證高度靈活性。然而，薄膜傳感器在使用過程中容易破裂，因為它不能適應柔軟或不規則的身體表面。此外，它們既不透氣也不舒適，而舒適性和透氣性是可穿戴電子產品非常需要的。上述困難在很大程度上限制了可穿戴傳感器的進一步發展。另外，織物傳感器需要長期使用而不會給使用者帶來不適，并且可以在實際應用中大規模制造。然而，目前還沒有這種集成的織物傳感器。

【成果簡介】

近日，在復旦大學彭慧勝教授（通訊作者）團隊的帶領下，展示了集成電化學織物作為一種有前途的可穿戴平臺，通過編織不同類型的傳感纖維實時健康監測。通過將活性材料涂覆到碳納米管（CNT）纖維上以形成同軸結構來構造傳感纖維。測試了幾種代表性生理信號（例如，葡萄糖、Na⁺、K⁺、Ca²⁺和pH）以證明新型織物傳感器的有效性。由此產生的集成織物在重復變形（包括彎曲和扭曲）下保持結構完整性和檢測能力。它們顯示了實時監測人體健康狀況的能力，具有高效性。相關成果以題為“Weaving Sensing Fibers into Electrochemical Fabric for Real-Time Health Monitoring”發表在了Adv. Funct. Mater上。

?【圖文導讀】

圖1 編織傳感纖維制造電化學織物的示意圖

通過編織傳感纖維制造電化學織物的示意圖，其通過在碳納米管（CNT）纖維基底上沉積活性材料制成。

圖2 傳感纖維的表征

a）在彎曲角度為90°時，彎曲循環次數對纖維電極上電阻的依賴性。這里R₀和R對應于彎曲前后的電阻。插圖顯示了纖維電極的初始電阻。

b）在含有Fe(CN)₆^3-/^4-的磷酸鹽緩沖鹽水（PBS）中不同纖維電極的CV曲線（用商業Ag/AgCl電極掃描速率為100 mV s^-1）。

c）碳納米管纖維、碳纖維和金絲電極的歸一化面積。

d-e）分別在低和高放大倍數下CNT纖維的SEM圖像。

f-g）分別為PB和葡萄糖感應纖維的葡萄糖氧化酶層的SEM圖像。

h）一卷葡萄糖感應纖維的照片。

i-j）分別為葡萄糖感應纖維包裹在管子周圍和編織成具有“傳感器”字母的織物。

圖3?不同的分析物溶液監測傳感纖維的性能

a）與商業固態Ag/AgCl電極相比，合成后的Ag/AgCl纖維電極的電位穩定性。b）葡萄糖感應纖維對磷酸鹽緩沖鹽水（PBS）中各自分析物溶液的計時電流響應。

c-f）Na⁺、K⁺、Ca²⁺和pH傳感纖維對PBS中各分析物溶液的開路電位響應。

圖4 L不同傳感纖維的重現性測試

a-e）分別為葡萄糖，Na⁺、K⁺、Ca²⁺和pH傳感纖維的重現性。四種顏色代表每種傳感器的四種不同樣品。

圖5?不同傳感纖維對個體的干擾研究

a-e）分別為葡萄糖，Na⁺、K⁺、Ca²⁺和pH傳感纖維對個體的干擾研究

圖6?集成不同種類傳感纖維的電化學織物的性能表征

a）織物中葡萄糖感應和Ag/AgCl參比纖維的SEM圖像。

b）在浸泡之前和之后（模擬汗液）的電化學織物的照片。

c）彎曲和扭曲下電化學織物的照片。

d）在反復彎曲和扭曲下電化學織物中傳感纖維的柔韌性。

e）電化學織物中傳感纖維的系統級干擾研究。

圖7?集成電化學織物的應用和示范

a）受試者跑步時穿著服裝裝置的照片。插圖顯示了定制開發的應用程序通過智能手機無線接收數據。

b）使用服裝設備進行實時汗液分析。

c）將收集的汗液樣品的原位數據與原位樣品進行比較。使用傳感纖維測量。通過使用ICP-AES（Na⁺、K⁺和Ca²⁺），pH計（pH）和酶-電極法（葡萄糖）測量。

【小結】

團隊通過集成不同類型的傳感纖維作為實時健康監測的強大平臺，開發出可穿戴電化學織物。織物同時獲得五種生理信號，即葡萄糖，Na⁺，K⁺，Ca²⁺和pH，并且在重復變形（例如彎曲和扭曲）下可以很好地保持傳感性能。這項工作為下一代可穿戴傳感器和其他柔性電子設備的開發提供了一般而有前景的策略。據我們所知，這是第一份集成電化學織物傳感器的報告，可有效檢測各種生理信號。該報告為可穿戴傳感器開辟了新的方向，在不久的將來，它可能被商業化應用于多種應用。另一方面，未來仍需要進一步改進實際應用。

?文獻鏈接：Weaving Sensing Fibers into Electrochemical Fabric for Real-Time Health Monitoring（Adv. Funct. Mater,2018,DOI：10.1002/adfm.201804456）

本文由材料人編輯部學術組木文韜翻譯，材料牛整理編輯。

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