面向個性化健康醫(yī)療的智能紡織品研究進(jìn)展

董 凱, 呂天梅, 盛非凡, 彭 曉

(1.中國科學(xué)院 北京納米能源與系統(tǒng)研究所, 北京 101400;2.中國科學(xué)院大學(xué) 納米科學(xué)與技術(shù)學(xué)院, 北京 100049)

在面對大流行疾病和人口老齡化問題的時(shí)候,傳統(tǒng)公共醫(yī)療系統(tǒng)的醫(yī)療服務(wù)存在有限、延遲和低效等一系列問題[1-2]。同時(shí)各種慢性和急性疾病都需要長期對健康狀況進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測和診斷護(hù)理,醫(yī)療行業(yè)因此正在發(fā)生巨大的變化[3-4]。現(xiàn)如今科技在疾病治療方面已經(jīng)取得了很大突破,但是監(jiān)測個人健康的主要方法仍然是基于臨床觀察和自我報(bào)告問卷的疾病診斷和分類,患者通常也只會在常規(guī)體檢或日常生活中出現(xiàn)健康狀況異常情況時(shí)尋求醫(yī)療幫助[5]。雖然現(xiàn)如今電子醫(yī)療已經(jīng)可以為患者進(jìn)行遠(yuǎn)程視頻咨詢、遠(yuǎn)程監(jiān)測患者報(bào)告結(jié)果,也有人工智能聊天機(jī)器人提供遠(yuǎn)程醫(yī)療支持,但其一直存在準(zhǔn)確性低、質(zhì)量差的缺陷[6],因此,利用有效、可靠和負(fù)擔(dān)得起的實(shí)時(shí)監(jiān)測工具對健康狀況進(jìn)行實(shí)時(shí)正確檢測并有效治療是當(dāng)前醫(yī)學(xué)面臨的一個挑戰(zhàn)。隨著老年人口的增加、醫(yī)療費(fèi)用的驟增以及慢性病的流行,這個挑戰(zhàn)變得更加緊迫[7-8]。為了應(yīng)對這些挑戰(zhàn),要思考新的健康監(jiān)測模式來構(gòu)建個人衛(wèi)生醫(yī)療系統(tǒng),實(shí)現(xiàn)可靠和及時(shí)的監(jiān)測與治療。

傳統(tǒng)醫(yī)療模式更多是基于醫(yī)師的經(jīng)驗(yàn),對于癥狀不同的病人,很可能發(fā)生誤診。生活中專家號難搶,醫(yī)療保健專業(yè)人員昂貴且稀少,臨床實(shí)踐中缺乏長時(shí)間、融入環(huán)境的監(jiān)測評估手段,這都需要科技工作者利用科技發(fā)展提升醫(yī)療系統(tǒng)中的預(yù)防與治療手段。在過去的幾十年里,功能性電子設(shè)備正在改變?nèi)伺c人、人與環(huán)境之間交互方式,集成電路、傳感器、無線通信和移動網(wǎng)絡(luò)等技術(shù)的進(jìn)步使得日常和終身的健康監(jiān)測系統(tǒng)成為可能[9-10]。集成得到的可穿戴電子產(chǎn)品已經(jīng)可以作為健康監(jiān)測的工具進(jìn)行遠(yuǎn)程診斷和治療,這標(biāo)志著醫(yī)療保健正處于進(jìn)入智能疾病控制和檢測、虛擬醫(yī)療、智能健康管理、智能決策的新時(shí)代[11-12]。可穿戴設(shè)備的興起可以幫助促進(jìn)分散式醫(yī)療服務(wù)的發(fā)展,但其應(yīng)用會受到設(shè)備體積大小限制、電源限制、人體工程學(xué)舒適性限制以及質(zhì)量和耐用性變化的限制,是未來需要改進(jìn)的方向[13]。

紡織品是一種具有豐富功能屬性的傳統(tǒng)可穿戴材料,例如透氣性、防水性、防紫外線等。通過融入合適的功能性材料,以及調(diào)整紡織品的工藝手段和工藝參數(shù),可以賦予其許多特殊屬性的功能,包括電活性、抗沖擊、抗菌抑菌[14]、熱管理、防輻射等[15]。此類功能性紡織物具有懸垂性、輕盈性和多孔性的同時(shí),還具有堅(jiān)固性、高強(qiáng)度以及低制造成本、可高值化回收等優(yōu)勢[16-17]。智能紡織品能夠捕捉和識別人體活動,并且可以以多種形式應(yīng)用在日常生活中,如服裝、眼鏡、手表和智能傳感器等[18],因此,可穿戴電子紡織品在無創(chuàng)健康監(jiān)測方面的潛力獲得了科研工作者的巨大關(guān)注[19]?？纱┐麟娮蛹徔椘吩谥悄芗徔椘窇?yīng)用較廣泛,智能紡織品的出現(xiàn)是科學(xué)技術(shù)領(lǐng)域的重要發(fā)展突破[20]。將傳感監(jiān)測和治療等功能融入智能紡織品(可以感知外部物理刺激或環(huán)境變化)中,可對病人進(jìn)行診斷、治療、護(hù)理及康復(fù)訓(xùn)練[21-22]。將其與無線通信設(shè)備集成,形成一個可穿戴式醫(yī)療紡織品系統(tǒng),能夠以最快、最近和最精確的方式為個人提供醫(yī)療服務(wù)[23]。在未來,結(jié)合5G、物聯(lián)網(wǎng)和人工智能等技術(shù),可穿戴醫(yī)療紡織品系統(tǒng)通過實(shí)時(shí)監(jiān)測、健康管理和交互反饋等手段,有望為人體健康提供監(jiān)護(hù)、診斷、治療和康復(fù)方案,能夠解決醫(yī)療領(lǐng)域的一些深層次問題[24]。最終,可穿戴式醫(yī)療紡織品系統(tǒng)將成為人們?nèi)粘Ｑb束的組成部分。

本文介紹了幾種常見的智能紡織品制備方式和響應(yīng)原理及對其在個性化醫(yī)療中的常見應(yīng)用概述。對智能紡織品在未來傳染病預(yù)防、實(shí)時(shí)監(jiān)護(hù)、輔助治療及康復(fù)訓(xùn)練等方面發(fā)展做出展望,并為智能紡織品在個性化健康醫(yī)療生產(chǎn)技術(shù)的創(chuàng)新方面提供一定的參考意義。

1 常見智能紡織品

智能紡織品的功能越來越多,在個性化健康醫(yī)療中的診斷和治療能力有賴于一系列的功能化材料,同時(shí),不同的制造方法,原理結(jié)構(gòu),材料的搭配或制備方式的選擇都決定了最終紡織品的功能[25]。

1.1 壓電式

壓電材料是具有壓電性的一種功能性材料,在外界施加壓力或拉伸的過程中產(chǎn)生電荷并在材料中積累電荷,反之,當(dāng)施加外部電場時(shí)壓電材料會被壓縮或拉伸[26]。根據(jù)這種材料的特殊性質(zhì)和作用原理,壓電式智能紡織品可將機(jī)械能轉(zhuǎn)化為電能實(shí)現(xiàn)力學(xué)傳感。壓電納米發(fā)電機(jī)就是依靠壓電效應(yīng)產(chǎn)生電荷輸出,并通過機(jī)械形變檢測生物力學(xué)運(yùn)動?；诶w維材料的壓電納米發(fā)電機(jī)擁有高壓力敏感性,其易于實(shí)現(xiàn)和自供電的能力使其成為更現(xiàn)代的智能紡織技術(shù),可應(yīng)用于醫(yī)療保健系統(tǒng)(傳感、電刺激和能量采集)。Yang等[27]提出了一種超細(xì)、同軸、對準(zhǔn)和三維分層互鎖的聚偏二氟乙烯(PVDF)/氧化鋅(ZnO)納米纖維,通過靜電紡絲對PVDF納米纖維表面外延生長 ZnO 金納米棒(NRs),得到高電性能和優(yōu)異柔韌性的集成,展示出超高靈敏度和對細(xì)微肌肉活動的準(zhǔn)確檢測。由于其良好的柔韌性,制造的傳感器陣列可以牢固地附著在小腿肌肉的表皮上,從而可以檢測由肌肉緊張或松弛引起的輕微變形。然而,PVDF是一種含氟的電活性聚合物,需要高溫合成和電極化的復(fù)雜條件,其降解過程會釋放氟化氫氣體,對人體健康有害[28],選用可降解、生物相容的壓電材料替代不可降解的材料制備更安全綠色的可穿戴傳感器也是目前廣泛研究的內(nèi)容。Abanah等[29]設(shè)計(jì)了一種由甘氨酸-殼氨酸(GC)壓電復(fù)合薄膜夾在2個ZnO NRs圖案化導(dǎo)電紡織電極之間的新型層次結(jié)構(gòu),采用低溫水熱法在導(dǎo)電織物上直接生長ZnO NRs,并采用溶劑澆筑工藝制備氣相色譜薄膜。該傳感器具有良好的時(shí)間響應(yīng)特性、穩(wěn)定性和耐久性,可用于能量采集,能夠直接集成到服裝上,其使用簡單制造方法結(jié)合綠色環(huán)保的生物相容可降解壓電材料,為環(huán)?？纱┐鲏毫鞲衅魈峁┝遂`感,促進(jìn)了綠色技術(shù)的發(fā)展。如今的壓電紡織品具有柔性和能量收集性能,但壓電材料受自身屬性和環(huán)境因素影響被限制其利用率,壓電纖維與電極的電連接效率低也使得傳感器的壓電性能(例如輸出功率、靈敏度、耐久性等)不能滿足需要[30],都是未來需要不斷改進(jìn)的方向。

1.2 壓阻式

壓阻材料在機(jī)械壓/拉力下會改變電阻率。這種機(jī)制已被用于高度敏感的生物力學(xué)感應(yīng)?；瘜W(xué)相互作用和溫度變化也被利用于個性化的生物分子分析和體溫監(jiān)測。其中,壓阻式傳感器結(jié)構(gòu)簡單、靈敏度高、易于信號處理,將電阻率變化與外部應(yīng)力下的幾何變形耦合在一起具有靜態(tài)-動態(tài)監(jiān)測的雙重功能[31]。利用這種工作機(jī)制制備的智能紡織品不僅具有舒適可穿戴功能,還可以檢查人體生物力學(xué)信息,用于傳感和功能監(jiān)測。Lai 等[32]通過絲網(wǎng)印刷工藝在棉片表面印刷銀漿和通過浸泡工藝制備了銀納米線(AgNWs)涂層棉片,制成了以叉指印花銀漿棉織物為底部電極,AgNWs涂層棉織物壓阻層為頂部電極的全紡織柔性壓阻式壓力傳感器。所制得的全紡織壓阻式傳感器在檢測手指和手腕反復(fù)彎曲的信號變化時(shí)表現(xiàn)出優(yōu)異的重復(fù)性和檢測性能,表明其在可穿戴控制器和運(yùn)動檢測中的潛在應(yīng)用前景。然而,依然有很多壓阻式傳感器使用昂貴、不可降解的材料,造成大量無法回收的電子垃圾和嚴(yán)重的環(huán)境污染。對此,Pan等[33]采用可擴(kuò)展的浸涂方法設(shè)計(jì)了一種棉纖維相容性(CFp)紡織品用于生物監(jiān)測,將MXene薄片黏附在分層多孔棉纖維素纖維上,利用二者之間的強(qiáng)氫鍵增強(qiáng)黏附性。棉纖維素暴露于酸性環(huán)境或自然降解過程中,由于1,4-糖苷鍵的斷裂分解為低分子質(zhì)量的纖維素或葡萄糖,從而實(shí)現(xiàn)高效的生物降解,使電子織物具有生物相容性、可生物降解和環(huán)境友好性等優(yōu)點(diǎn)。CFp紡織品可以在兼具佩戴舒適型的同時(shí)檢測各種人體生物力學(xué)活動,包括脈搏跳動、肌肉運(yùn)動和吞咽,提供了一種生態(tài)良性、成本效益和簡單的方法來制造高性能可穿戴生物電子產(chǎn)品。但是,一直以來壓阻紡織品存在著溫度特性差、工藝復(fù)雜、造價(jià)昂貴、導(dǎo)電性差和線性感應(yīng)范圍窄等缺陷,因此實(shí)現(xiàn)同時(shí)兼具高靈敏度、線性傳感能力強(qiáng)、耐用性好、低可檢測限制和快速響應(yīng)是柔性傳感器目前最大的難點(diǎn)和目標(biāo)[34]。

1.3 電容式

電容式智能紡織品是利用了壓力導(dǎo)致的電容變化效應(yīng)來進(jìn)行工作的,相較于壓阻式傳感器具有較好的穩(wěn)定性。電容式傳感器通常由電極和介電層組成,鑒于其高靈敏度、快速響應(yīng)時(shí)間和高穩(wěn)定性,經(jīng)常被用于診斷設(shè)備。此外,紡織品超級電容器還可以作為能量儲存單元,為生物醫(yī)學(xué)傳感器或治療設(shè)備供電。由于纖維膜的彈性模量低,在輕微的外部壓力下可實(shí)現(xiàn)較大的壓縮變形。然而,現(xiàn)有的織物電極制造工藝復(fù)雜,嚴(yán)重限制了傳感器的傳感性能和生產(chǎn)效率[35],因此,在電容式壓力傳感器中,靜電紡絲越來越受到關(guān)注。Chen等[36]通過對鈀離子(Pd2+)/聚丙烯腈(PAN)溶液進(jìn)行靜電紡絲并對混合納米纖維膜進(jìn)行化學(xué)鍍,制備柔性電極,所獲得的導(dǎo)電納米纖維膜被珊瑚狀銀層覆蓋且多孔,有利于實(shí)現(xiàn)優(yōu)異的導(dǎo)電性。人體運(yùn)動分析已成為醫(yī)療保健領(lǐng)域收集數(shù)據(jù)的重要臨床步驟,科研人員試圖將電容壓力紡織傳感器應(yīng)用于人體不同位置的運(yùn)動檢測。Vu等[37]基于單壁碳納米管(SWCNT),可拉伸銀墨水,封裝漿料和薄間隔織物的組合制造了一種紡織傳感器。銀漿層有助于傳感器具有導(dǎo)電性,靈活性和可穿戴設(shè)備應(yīng)用的伸縮性;SWCNT可以確保傳感器在工作循環(huán)下快速恢復(fù)電導(dǎo)率;封裝漿料/滌綸樹脂紗層能保證在較大的形變下傳感器結(jié)構(gòu)維持穩(wěn)定的彈性。另外還展示了這種傳感器安裝在手套上監(jiān)測手指運(yùn)動的應(yīng)用,并開發(fā)了一種自適應(yīng)神經(jīng)模糊網(wǎng)絡(luò)(ANFIS),通過分析集成傳感器的智能襪子的數(shù)據(jù)來監(jiān)測人類的步態(tài)。然而,電容式壓力傳感器依然存在一些缺點(diǎn),如需要使用復(fù)雜的制造方法、高成本或缺乏更合適、不受串?dāng)_的信號處理算法,這些特點(diǎn)限制了大規(guī)模生產(chǎn)或應(yīng)用于實(shí)際產(chǎn)品的可能性。

1.4 摩擦電式

摩擦電效應(yīng)利用接觸電氣化和靜電感應(yīng)耦合,將機(jī)械運(yùn)動轉(zhuǎn)化為電能[38],能夠有效地將生物力學(xué)運(yùn)動轉(zhuǎn)化為高電壓和低電流信號。摩擦電納米發(fā)電機(jī)(TENG)作為一種新型電源,其作用原理依靠摩擦電效應(yīng),具有作為新型電源的潛力。基于固體材料的TENG,其工作機(jī)制可以簡化為不同材料之間的摩擦電效應(yīng),導(dǎo)致不同原子之間的電子轉(zhuǎn)移和摩擦接觸過程中材料之間的電位變化[39]。將固體材料代替為軟材料,就可以制造出柔性TENG,其具備的這種特殊性能以及具有生物相容性摩擦電材料的廣泛出現(xiàn),以及其高信號輸出、材料多樣化、環(huán)境友好等特點(diǎn),促使人們將摩擦電納米發(fā)電機(jī)整合到智能保健紡織品中,用于診斷、治療和供電應(yīng)用。Cao 等[40]通過絲網(wǎng)印刷的方法開發(fā)了用作自供電觸摸/手勢傳感器的可水洗電子紡織品,用于智能人機(jī)接口?？伤措娮蛹徔椘分饕?層構(gòu)成,包括頂層絲綢織物作為一種摩擦材料,底層錦綸織物作為基材,中間層是碳納米管 (CNT) 電極陣列。用CNT油墨制造的電極陣列印在錦綸織物上。為實(shí)現(xiàn)電極的耐洗性,在CNT油墨的合成過程中加入了聚氨酯(PU)。形成的電極在劇烈的機(jī)械變形下表現(xiàn)出優(yōu)異的穩(wěn)定性。有關(guān)基于一維(1-D)纖維或二維(2-D)織物的摩擦電應(yīng)變傳感器的研究很多,獲得了極佳的柔韌性和兼容性,然而,具有較好的靈敏度、耐用性、舒適性仍有待探索。因此,三維(3-D)織物不斷被創(chuàng)新發(fā)展與摩擦電傳感器集合實(shí)現(xiàn)更為穩(wěn)定、柔軟的一體式可穿戴應(yīng)變傳感器。Xu等[41]通過緯線嵌入技術(shù)制備了一種三維結(jié)構(gòu)的摩擦電織物(3-D AS-TEF),作為一種自供電的可穿戴應(yīng)變傳感器,可用于微小的運(yùn)動監(jiān)測和手語-語音轉(zhuǎn)換。由于其獨(dú)特的三維拱結(jié)構(gòu),能夠提供適宜的薄厚度、柔韌性和透氣性等條件,摩擦電織物(TEF)表現(xiàn)出極佳的舒適性。利用3-D AS-TEF靈敏且穩(wěn)定的輸出性能,與PCB電路集成開發(fā)了自供電的應(yīng)變傳感系統(tǒng)和手語-語音翻譯系統(tǒng),可以應(yīng)用于日常手語交流,但是目前開發(fā)和報(bào)道的集成紡織品的TENG仍需要進(jìn)一步提高摩擦發(fā)電的輸出功率,例如,提高摩擦電材料表面電荷密度、提升器件的柔性和可拉伸性、選取具有生物相容性的材料,以及為適配人體運(yùn)動不斷優(yōu)化一體化集成系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)[42]。摩擦電紡織品想要實(shí)現(xiàn)實(shí)際應(yīng)用于服裝、手表、眼鏡等生活設(shè)備中還有很長的路要走。

1.5 熱電式

熱電發(fā)電機(jī)(TEG)[43]可以利用熱電效應(yīng)將熱量變化轉(zhuǎn)化為電能,其結(jié)構(gòu)簡單是一種沒有動態(tài)部件或液體的固態(tài)裝置,材料本身即可轉(zhuǎn)換能量。人體的熱能作為能量來源可以為提供TEG恒定的勢能,從人體表面收集通過標(biāo)準(zhǔn)的代謝過程產(chǎn)生的廢熱,是可穿戴TEG實(shí)現(xiàn)自供電的主要途徑。這些紡織品熱電發(fā)電機(jī)已被探索用于利用人體熱量和發(fā)電,以滿足醫(yī)療保健應(yīng)用。Wong等[44]提出了一種利用大規(guī)模生產(chǎn)的碳納米管節(jié)段熱電紗(TEY)作為間隔紗制備有機(jī)基間隔織物型三維熱電紡織品(TET)的方法。溫差為47.5 K時(shí),間隔織物形狀的TET具有良好的耐磨性和穩(wěn)定性,能夠?qū)崿F(xiàn)較高的功率密度和電壓密度。TET 具有突出的發(fā)電能力,以及優(yōu)異的柔韌性和耐磨性,適用于醫(yī)療保健和環(huán)境監(jiān)測應(yīng)用中的大面積自供電。除人體廢熱外,太陽能熱能也是生活中可以利用到的,Zhang等[45]使用光熱層聚吡咯(PPy)和熱電層聚二氧乙基塞吩:對甲苯磺酰基(PEDOT:PSS)進(jìn)行兩步法原位制備雙殼光電織物。由于聚吡咯具有很強(qiáng)的近紅外(IR)吸收特性,因此可以利用這個特性提高織物設(shè)備光電熱效應(yīng)的光熱轉(zhuǎn)化效率。材料優(yōu)化后采用由光電織物、導(dǎo)電織物和低熱導(dǎo)率的紡織基板組成柔性、便攜的可穿戴手環(huán),可以同時(shí)吸收人體熱量和太陽能,大大提高了轉(zhuǎn)化效率,證明了紡織光熱電發(fā)生器在可穿戴設(shè)備上的巨大實(shí)用價(jià)值。

1.6 電化學(xué)類

探索電化學(xué)領(lǐng)域,許多器件例如納米發(fā)電機(jī)利用電化學(xué)原理,將化學(xué)能通過已知的氧化還原反應(yīng)轉(zhuǎn)換為電能來實(shí)現(xiàn)自供電。人體除需要監(jiān)測脈搏、體溫、血壓等生命體征外,汗液、淚液、唾液和組織液這類生物流體也是分析人體代謝過程健康檢測需要的直接信息,尤其是與血液水平密切相關(guān)的汗液[46]。因此在目前研究中,科研工作者試圖利用普通汗液的能力,將其作為一種可再生的生物燃料,并作為一種生物分析相關(guān)的代謝物來源,用于臨床觀察。Parrill 等[47]使用絲網(wǎng)印刷的方法在商業(yè)紡織品上制造高度可拉伸的多離子電位傳感器。基于紡織品的化學(xué)傳感器可以直接實(shí)時(shí)監(jiān)測和分析人體汗液。Gualandi等[48]詳細(xì)討論了導(dǎo)電聚合物(CPs)在實(shí)時(shí)汗液監(jiān)測設(shè)計(jì)的紡織品電化學(xué)傳感器的開發(fā)中的作用。CPs具有良好的力學(xué)性能以及典型的半導(dǎo)體導(dǎo)電性,且其生物相容性幫助它更好的應(yīng)用于電子可穿戴紡織品的設(shè)計(jì)中,能夠有效并安全地監(jiān)測人體健康。尤其在可穿戴技術(shù)進(jìn)行汗液分析的過程中,可以實(shí)時(shí)以無創(chuàng)方式連續(xù)采樣汗液,是未來的醫(yī)學(xué),體育活動和職業(yè)安全與衛(wèi)生方面廣泛關(guān)注的可穿戴傳感器材料,具有無限潛力。電化學(xué)傳感器在機(jī)械應(yīng)力或洗滌下難以保持高穩(wěn)定性,傳感過程中的結(jié)垢或滯后效應(yīng)也可能會影響器件響應(yīng),在實(shí)際應(yīng)用中這些都是需要考慮并進(jìn)一步改進(jìn)的。

1.7 光纖式

光纖是一種光導(dǎo),可以傳輸幾厘米到幾公里的范圍內(nèi)的光信號,有3種主要應(yīng)用途徑:數(shù)據(jù)傳輸、光發(fā)射和傳感。光纖作為傳感器時(shí)光纖的選擇取決于傳感器的應(yīng)用,其中光纖主要有3大類:玻璃光纖(GOF),水凝膠光纖(HOF)和聚合物光纖(POF),對于紡織品來說用到最多的就是POFs,因?yàn)槠渚哂泻芎玫娜嵝院透呖煽匦訹49]。當(dāng)此類傳感器與組織相互作用時(shí),光的反射和折射提供了有用的生物診斷信息,而在治療方面,發(fā)光的智能紡織品也顯示出許多應(yīng)用。Zhang等[50]開發(fā)了一種能夠同時(shí)監(jiān)測溫度和脈沖/觸摸的智能紡織品。芯層微納多孔纖維束不僅充當(dāng)溫度傳感器,也充當(dāng)智能紡織品的工作電極,智能紡織品與觸摸物體或人體皮膚之間接觸面積的變化導(dǎo)致其電輸出的變化,從而能夠同時(shí)檢測脈沖/觸摸(壓力)。但當(dāng)人體運(yùn)動皮膚拉伸,肘關(guān)節(jié)彎曲時(shí),傳感器的靈敏度和防干擾能力是需要改進(jìn)的,這也是未來光纖式智能紡織品努力的方向。

2 智能紡織品在個性化醫(yī)療中的應(yīng)用

2.1 呼吸睡眠監(jiān)測

基于紡織品的柔性和可擴(kuò)展無線生物監(jiān)測系統(tǒng)已被開發(fā)出來,用于自我供電的個性化保健。它可以實(shí)現(xiàn)對人體脈搏波的實(shí)時(shí)、精確、無創(chuàng)和連續(xù)測量,并可以診斷阻塞性睡眠呼吸暫停(呼吸暫停綜合癥[51])。基于紡織品的無線生物監(jiān)測系統(tǒng)代表著在物聯(lián)網(wǎng)時(shí)代向構(gòu)建體域網(wǎng)絡(luò)的個性化醫(yī)療邁出了堅(jiān)實(shí)的一步。Peng 等[52]使用多層聚丙烯腈(PAN)和錦綸66(PA66)納米纖維,制備了全納米纖維基透氣呼吸傳感器。該傳感器由頂部封裝PA66層、金電極涂覆PAN層、金電極涂覆PA66層和底部PAN基板層組成。組建的透氣、靈活和自供電的電子皮膚,可以實(shí)時(shí)監(jiān)測人體的呼吸信號,并提供詳細(xì)的呼吸頻率、強(qiáng)度等,經(jīng)過全面評估阻塞性睡眠呼吸暫停低通氣綜合征的檢測信號,結(jié)果顯示可以記錄的高精度信號的臨床診斷價(jià)值。

2.2 觸覺傳感

紡織品物理傳感器將來自生理活動的物理刺激輸入轉(zhuǎn)換成信息豐富的電信號,用于推斷生理信息。生物力學(xué)傳感器包括紡織品中使用的最先進(jìn)的物理傳感器類別,其形式包括摩擦電、壓電、電阻或電容式壓力或應(yīng)變傳感器。此類傳感器可廣泛應(yīng)用于生物力學(xué)生命信號監(jiān)測(心率和流動感應(yīng))。TENG為這個領(lǐng)域提供了具有功能性和廣泛應(yīng)用的智能紡織品解決方案,如被用于脈搏監(jiān)測,用于生物力學(xué)到電能的轉(zhuǎn)換,將動脈脈搏轉(zhuǎn)化為電信號,即使在大量汗液的存在下或在水中,也無需封裝。TENG陣列也被開發(fā)成針織智能紡織品傳感器,跟蹤人體運(yùn)動,同時(shí)收集人體信息。Yang等[53]提出了一種具有定向汗液運(yùn)輸特性的全納米纖維電子皮膚。設(shè)計(jì)的多層電子皮膚由超親水水解聚丙烯腈(HPAN)、聚氨酯(TPU)和銀納米線(AgNWs)組成。電子皮膚和人體皮膚之間的黏附力很高和高柔韌性(應(yīng)變大于500%),全纖維基電子皮膚適用于汗?jié)袢梭w皮膚的日常長期肌電圖監(jiān)測。

除傳統(tǒng)的生物監(jiān)測外,生物力學(xué)智能紡織品傳感器可以通過運(yùn)動跟蹤來了解神經(jīng)系統(tǒng)疾病?，F(xiàn)有的大規(guī)模傳感紡織品是使用基于納米復(fù)合材料的壓阻纖維制成的,如觸覺敏感的智能紡織襪,可以通過跟蹤壓力分布用于神經(jīng)系統(tǒng)疾病的早期檢測。將這種傳感能力與基于機(jī)器學(xué)習(xí)的運(yùn)動分析相結(jié)合,可以幫助診斷神經(jīng)系統(tǒng)疾病,如肌張力障礙、帕金森病、癲癇和阿爾茨海默病等。

2.3 肌電信號監(jiān)測

基于智能紡織品的心電圖、腦電圖和肌電圖傳感器也已被廣泛研究,其具有良好的佩戴舒適性,不會引起類似于傳統(tǒng)凝膠電極或電子皮膚所造成的皮膚刺激。柔性人造絲織物貼片的開發(fā)可供家庭和臨床使用,其設(shè)計(jì)亮點(diǎn)是可使連續(xù)的肌電圖監(jiān)測具有簡單的皮膚適應(yīng)性。此外,紡織品物理傳感器可以具有光學(xué)特性,以檢測和產(chǎn)生光,并已被用于監(jiān)測生理參數(shù),包括汗液代謝物、心率、血壓和氧飽和度。例如,嵌入紡織品的熱敏電阻也被用來檢測與電阻相關(guān)的溫度變化,并幫助對體溫進(jìn)行連續(xù)和非侵入式的監(jiān)測。使用這種類型的智能服裝可以幫助預(yù)防與熱有關(guān)的臨床狀況,如體溫過高或過低,有助于實(shí)時(shí)監(jiān)測極限運(yùn)動安全性,以及幫助監(jiān)測傷口感染和發(fā)燒情況的出現(xiàn)。將還原石墨烯-氧化物或PEDOT等涂層紗線編織成織物形式,能夠廣泛適用于這個領(lǐng)域的應(yīng)用,是科研工作者熱衷采納的解決方案之一。Li 等[54]通過原位聚合方法制備了PEDOT/TPU復(fù)合纖維。TPU纖維具有出色的柔韌性可作為基材。PEDOT僅涂覆TPU纖維表面,形成具有良好溫度傳感性能的導(dǎo)電層。通過原位聚合方法,增強(qiáng)功能膜與基材之間的相互作用。

2.4 個性化治療

智能紡織品除了具有診斷功能,其在個性化醫(yī)療中還可以用于設(shè)計(jì)特定的治療方案,這些方案綜合考慮了病人的安全系數(shù)和個人生活因素。具有治療功能的智能紡織品可與人體互動,提供持續(xù)和一次性的治療方案,根據(jù)個人不斷變化的健康狀況調(diào)整治療。用于個性化治療的智能紡織品有望為傳統(tǒng)的治療方法提供替代方案,盡管其發(fā)展仍處于早期階段。智能紡織品在一些特定領(lǐng)域針對不同形式治療方案的應(yīng)用不斷增加,其中主要包括智能紡織品用于第三方治療設(shè)備的供電。由可穿戴設(shè)備增強(qiáng)的藥物輸送為藥物劑量和改善給藥時(shí)間的依從性提供了一個非侵入性的、方便的和高度可控的解決方案,這是個性化治療的關(guān)鍵因素?？紤]到需要每天給藥的人口比例很大,智能紡織品可用于長期貼合皮膚,其沒有疼痛或刺激,并能夠確保在沒有第三方或醫(yī)生干預(yù)的情況下實(shí)現(xiàn)長期和個性化給藥,減少公共醫(yī)療和患者個人的負(fù)擔(dān)。智能紡織品傷口敷料已被開發(fā)用于智能給藥,具有量身定制的劑量和管理時(shí)間。除監(jiān)測人體的生化信號外,檢測環(huán)境中的潛在危害對人體健康也非常重要。Wang等[55]通過在商業(yè)凱夫拉紡織品上直接書寫石墨烯,制備了新型石墨烯/凱夫拉爾紡織品。這種紡織品可以監(jiān)測二氧化氮(NO2)病毒,在智能防護(hù)服中具有潛在的應(yīng)用前景。

2.5 智能診斷

診斷性智能紡織品近年來蓬勃發(fā)展收到廣泛關(guān)注,其能夠提供生物物理、生物化學(xué)和環(huán)境因素的連續(xù)監(jiān)測。目前被開發(fā)出來的結(jié)合紡織品的可穿戴發(fā)電機(jī)主要是通過收集身體上的無源能量為智能紡織品診斷提供動力。但是由于其獨(dú)特的應(yīng)用環(huán)境,可能面臨長期的汗水侵蝕和復(fù)雜的環(huán)境破壞等問題,這對其穩(wěn)定性提出了很高的要求。Luo等[56]提出了一種超疏水、透氣的、基于紡織品的電子皮膚,用于體溫傳感。該電子皮膚的制備過程為:首先用聚多巴胺對織物進(jìn)行改性;其次,將MXene納米片涂覆在聚多巴胺的表面上。最后,使用聚二甲基硅氧烷(PDMS)層包裝電子皮膚,以避免MXene在形成超疏水層時(shí)被氧化或破壞。電子皮膚具有高疏水性和高透氣性、易于清潔且穿著舒適、、優(yōu)異的光電熱響應(yīng)、測溫范圍廣、靈敏度高、重復(fù)性高等特點(diǎn),在智能可穿戴體溫監(jiān)測中具有優(yōu)異的性能。

2.6 其它應(yīng)用

智能紡織品除上述的一些應(yīng)用外,其在輔助技術(shù)方面的應(yīng)用也在持續(xù)研究中,如可使殘疾人、病人和/或老年患者能夠重新獲得獨(dú)立生活至關(guān)重要的活動能力。鑒于老年人口的增長,開發(fā)更具功能性的日常服裝以實(shí)現(xiàn)各種智能和輔助功能是至關(guān)重要的。為此,相關(guān)智能紡織品已經(jīng)被設(shè)計(jì)出來,以紡織品為基礎(chǔ)的移動輔助外骨骼支持、助聽器、輔助康復(fù)訓(xùn)練和假肢等被開發(fā)為智能紡織品輔助技術(shù)應(yīng)用。除此之外,對于人體表面而言脈搏是一個微小的生理信號,需要傳感器的高靈敏度來監(jiān)測。同時(shí),人類日常活動對對脈搏傳感器的信號會產(chǎn)生不同程度的干擾,這對設(shè)備監(jiān)測范圍提出了更高的要求。Sharma等[57]使用氫鍵觸發(fā)的雜化納米纖維膜解決了這個問題。織物傳感材料由聚(乙烯醇)和超親水雙(三氟甲烷)磺酰胺鋰鹽制成的聚合物電解質(zhì)組成。將其應(yīng)用于檢測人體的脈沖信號時(shí),該傳感器可從波形中清楚地區(qū)分雙峰、主峰和前雙峰。根據(jù)這些參數(shù),可以診斷出相關(guān)的心血管疾病。言語障礙患者的溝通也受益于智能紡織品的使用,智能紡織品手套被開發(fā)用于手語翻譯。這種輔助應(yīng)用有助于將手語的手勢轉(zhuǎn)換為移動用戶界面上的語音。除這些輔助治療性的方案外,已經(jīng)有商業(yè)化開發(fā)的智能襪有助于利用電康復(fù)療法防止病人跌倒,織物壓力傳感器測量運(yùn)動和壓力的實(shí)時(shí)變化,確保對平衡問題做出快速反應(yīng)?？紤]到當(dāng)今人口老齡化問題日益突出,預(yù)計(jì)2030年將有很大一部分人口需要借助健康輔助技術(shù),智能紡織品正被作為一個潛力較大的多功能設(shè)備加以設(shè)計(jì)開發(fā),以幫助滿足這個需求。

3 結(jié)束語

智能紡織品的未來發(fā)展需要學(xué)術(shù)界和工業(yè)界對關(guān)鍵領(lǐng)域的考慮。在學(xué)術(shù)界,包括材料創(chuàng)新、設(shè)備結(jié)構(gòu)創(chuàng)新、可靠性和穩(wěn)定性、功能整合和性能標(biāo)準(zhǔn)化。在工業(yè)界,包括產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)化、價(jià)值鏈創(chuàng)造、規(guī)?；圃旌团R床整合。使用新型原材料和開發(fā)新型復(fù)合材料對于解決可清洗性、性能提升和抗性問題將非常重要。在這方面,諸如具有可編程功能的混合復(fù)合材料是很有希望的,應(yīng)該進(jìn)一步探索。應(yīng)避免使用生物不相容性或生理上存在排斥的材料,將重點(diǎn)放在開發(fā)耐腐蝕、具有生物相容性的自愈合紡織品上。此外,使用稀有或昂貴的材料不太可能帶來工業(yè)上可擴(kuò)展的解決方案,應(yīng)尋找可行的替代方案。

從材料科學(xué)的角度來看,需要開發(fā)新型材料和先進(jìn)的制造技術(shù)來滿足先進(jìn)的可穿戴傳感器的要求,如超靈敏、高檢測精度、完全集成和大規(guī)模生產(chǎn)。將2種或更多的功能特性結(jié)合到一種新型的多功能材料中,可能會為醫(yī)療保健可穿戴設(shè)備的開發(fā)帶來更多的選擇。智能紡織設(shè)備通常集成了具有更苛刻的力學(xué)性能的功能材料。纖維的微型化(納米級)和機(jī)械軟性材料的涂層,可以幫助解決這個問題。此外,在制造過程中出現(xiàn)的異質(zhì)功能層沉積問題,可以通過界面工程來解決,以實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定的界面結(jié)合,減少纖維裂縫和分層的發(fā)生。在提高舒適性的織造技術(shù)方面,應(yīng)尋求紡織專家的意見,包括公認(rèn)的時(shí)尚紡織品學(xué)府和技術(shù)研究所,注重技術(shù)的提升而不是把重心放在重新開發(fā)技術(shù)上。還應(yīng)該關(guān)注具有可替代性的織造結(jié)構(gòu)和線的厚度,以實(shí)現(xiàn)新的功能性發(fā)展,如三維織造結(jié)構(gòu)。這些具有內(nèi)在靈活性、堅(jiān)固性、多孔性和柔軟性的結(jié)構(gòu)特性的研究預(yù)計(jì)會更好地應(yīng)用到整體醫(yī)療系統(tǒng)設(shè)備中去。

從醫(yī)療服務(wù)提供者的角度來看,可穿戴傳感器在用戶和醫(yī)療服務(wù)提供者之間起著重要的橋梁作用,因此,它們不僅要同時(shí)監(jiān)測用戶的生理參數(shù),而且要以方便的方式提供多方面的健康狀況評估。對于人工智能算法來說,數(shù)據(jù)管理是成功應(yīng)用于醫(yī)療保健的關(guān)鍵因素。人工智能算法應(yīng)該用高質(zhì)量的數(shù)據(jù)進(jìn)行訓(xùn)練,學(xué)習(xí)相關(guān)的模式。必須及時(shí)更新數(shù)據(jù),以確保最新的信息進(jìn)入數(shù)據(jù)庫。

在實(shí)際應(yīng)用中,智能紡織品應(yīng)提供透氣性、可清洗性、堅(jiān)固性、熱穩(wěn)定性和空氣/濕氣滲透性,這些都是目前的薄弱環(huán)節(jié),因此,應(yīng)將重點(diǎn)放在防止氧化、潮濕和機(jī)械變形上。使用聚合物封裝的密封性良好的紡織品傳感器(覆蓋曲線表面)成為一種解決方案。另外,探索材料表面的超疏水性也可以幫助解決。

開發(fā)高效的加工技術(shù),將多種紡織保健設(shè)備與舒適的設(shè)計(jì)相結(jié)合,將是制造復(fù)雜的智能紡織品的重要一步。最近廣泛制造應(yīng)用的一個完全集成的紡織系統(tǒng),包括紡織顯示器、鍵盤和電源組件,被稱為“數(shù)字縫紉機(jī)”就是現(xiàn)代化紡織技術(shù)的代表作。研究人員要將重點(diǎn)放在依靠現(xiàn)有的、低門檻的制造技術(shù)的可擴(kuò)展和自動化過程上。為了解決規(guī)模化制造問題大面積推廣,普及智能,建議紡織業(yè)采用自上而下的規(guī)?；a(chǎn)方法。智能醫(yī)療系統(tǒng)的開發(fā)與優(yōu)化可以從自上而下的制造戰(zhàn)略方案中受益。在這里,規(guī)模經(jīng)濟(jì)的因素,包括較低的原材料成本和提供條件,統(tǒng)一的設(shè)計(jì)生產(chǎn)并適應(yīng)現(xiàn)有的機(jī)器和鏡像既定協(xié)議將占主導(dǎo)地位,并在連續(xù)制造模式中應(yīng)用。更便宜的功能材料和更先進(jìn)的平臺技術(shù)也將更容易具備可擴(kuò)展性。諸如紡紗這樣的制造策略,經(jīng)過規(guī)?；菔?可用于開發(fā)具有預(yù)設(shè)傳感區(qū)域的標(biāo)準(zhǔn)化服裝(胸部用于心臟和呼吸率監(jiān)測,綜合手套用于氧氣飽和度檢測,多方位傳感用于運(yùn)動牽引),擁有嵌入式金屬導(dǎo)電線,可插入數(shù)據(jù)中繼單元或節(jié)點(diǎn)。這些產(chǎn)品可以被大規(guī)模開發(fā),取代醫(yī)院的病號服,并易于回收利用。適宜材料的選擇能夠?yàn)獒t(yī)療系統(tǒng)提供最適合日常使用的可清洗性和長期舒適性的產(chǎn)品。

相反,治療性或高度功能化溶液的自下而上的擴(kuò)展方法將由所需治療功能的特異性驅(qū)動。自下而上的擴(kuò)展,需要更多的技術(shù)專長和原材料種類,可以采用批量制造的方式進(jìn)行。傳遞藥物的智能紡織品,如熱膨脹水凝膠藥物載體,可以擁有平臺式的擴(kuò)展?jié)摿?以平行的批量步驟將各種藥物加載到智能紡織品上,從而生產(chǎn)出一系列釋放藥物的智能紡織品。確保智能紡織品在人體健康監(jiān)測方面的臨床效果得到社會的認(rèn)可對其走向生物醫(yī)療領(lǐng)域至關(guān)重要。因此,需要培訓(xùn)臨床醫(yī)生或病人以熟悉智能紡織品的工作模式。此外,優(yōu)化的用戶界面、網(wǎng)絡(luò)整合和可負(fù)擔(dān)性也應(yīng)和臨床醫(yī)生一起密切開發(fā)。

鑒于智能紡織品在個性化醫(yī)療中的多學(xué)科性質(zhì),材料科學(xué)家、電氣工程師、服裝行業(yè)專家、監(jiān)管機(jī)構(gòu)、臨床醫(yī)生、病人、用戶界面開發(fā)人員和政府實(shí)體之間需要進(jìn)行交叉合作,以優(yōu)化未來的發(fā)展。