基于集成納米結構的可穿戴設備實時記錄生理參數，可用于遠程醫療

原創 MEMS 2022-08-25 00:00

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由于各種新的傳染性（病毒/細菌）疾病的出現，對感染者的遠程監測變得尤為重要，尤其是在醫院需要隔離感染患者以防止病原體向醫護人員傳播的情況下。

據麥姆斯咨詢報道，近日，一支由捷克布拉格化學與技術大學（University of Chemistry and Technology Prague）、奧斯特拉瓦技術大學（VSB - Technical University of Ostrava）、新加坡南洋理工大學（Nanyang Technological University）等機構的研究人員組成的團隊在npj Flexible Electronics期刊上發表了題為“Telemedicine platform for health assessment remotely by an integrated nanoarchitectonics FePS3/rGO and Ti3C2-based wearable device”的最新論文，提出的可穿戴健康監測系統實時記錄生理參數，在遠程監測時可作為監測病原體感染狀態的篩選工具。這項研究為基于柔性和可拉伸儲能裝置的創新可穿戴電子健康監測系統的開發奠定了基礎。

圖1 基于集成二維FePS3@rGO和Ti3C2的可穿戴設備的遠程健康監測醫療平臺

許多傳染病與多種可使用可穿戴健康傳感器監測的生理變化有關。異常的體溫、呼吸頻率和舒張壓可能表明患者的感染狀態。最近，世界面臨新型冠狀病毒（SARS-CoV-2）的大流行，許多醫護人員在進行生理參數評估時與感染患者直接接觸而被感染。表明人們有必要保持社交距離和隔離，以降低將病毒傳染給他人的風險。在這種情況下，遠程健康監測系統（RHMS）已被證明是對感染患者進行健康監測的最安全方法。RHMS可以定義為遠距離提供醫療服務。RHMS通常包括三個主要組件：傳感裝置、數據傳輸裝置和動力源裝置。該傳感裝置檢測各種生理參數，如體溫、心率和血壓，并將其轉換為電信號，通過無線連接傳輸到智能手機或云端進行進一步分析。傳感和數據傳輸過程都需要使用儲能裝置。

與其他典型的電子設備相比，可穿戴健康監測系統具有獨特的電源要求。首先，儲能裝置和傳感裝置必須是可拉伸的、機械和電穩定的，以實現與人體一致的形狀，從而實現恒定的檢測性能。其次，由于該裝置經常與人體部位接觸，因此，儲能和傳感裝置必須具有生物相容性，以最大限度地減少不良免疫反應和其他負面影響。關于上述幾點，本論文的作者們制造了一種概念驗證的可穿戴集成醫療監測系統，該系統采用了一個可拉伸非對稱超級電容器（SASC）和應變傳感器。其中，SASC是使用兩種不同類型的二維材料制造而成的，例如過渡金屬碳化物（例如Ti3C2），金屬磷硫化物和還原的石墨烯氧化物復合材料（例如FePS3@rGO）。應變傳感器使用相同的FePS3@rGO復合材料組裝而成。

新興的層狀材料家族，通式為MPXy的金屬磷硫化物，其中M表示過渡金屬，X表示硫屬元素（S或Se），y可以是3或4，具有優異的電子、磁性和各向異性特性。它們已被廣泛應用于光電子學、自旋電子學、傳感、氫吸附、催化以及電池電化學性能等領域。最近，利用MPS3（M =鐵（Fe）、鎳（Ni）、錫（Sn）、鈷（Co））等材料制造鋰離子電池備受人們關注。具體而言，FePS3、NiPS3和MnPS3已被確定為電池中有前途的正極材料，與之前研究的碳和金屬氧化物電極相比，它們具有更大的容量和更長的運行時間。然而，作為可穿戴電子應用的柔性便攜儲能裝置，MPXy尚未受到太多關注。另一方面，Ti3C2Tx（MXenes）由于其廉價的成本和一系列的優點而成為最常被研究的材料之一。Ti3C2Tx可以很容易地被編入到織物中，在健康傳感器和儲能裝置應用方面顯示出良好的前景。

在本論文研究中，作者們成功地開發了一種可穿戴健康監測系統，該系統將傳感器和SASC集成來監測遠程個體的實時生理參數，以便早期識別病毒感染或緊急情況。他們采用噴涂沉積法制備基于Ti3C2和FePS3@rGO的可拉伸電極，使用聚合物凝膠電解質組裝Ti3C2/FePS3@rGO SASC。組裝的SASC在重量比電容、循環穩定性、功率密度、速率性能、彎曲和拉伸穩定性方面表現出出色的電化學性能。然后，基于FePS3@rGO的儲能裝置和應變傳感器被制造為柔性、可拉伸的動力源和用于監測實時呼吸周期的傳感器。他們成功地監測了志愿者活動的實時呼吸模式。最后，他們將Ti3C2/FePS3@rGO SASC與溫度傳感器集成，并將其貼在用戶皮膚上，實時準確地監測人體溫度，并將數據無線傳輸到智能手機。這項研究工作中開發的無線健康監測系統可用于在急診室監測各種傳染性（病毒/細菌）疾病，尤其是在醫院需要隔離感染患者以防止病原體向醫護人員傳播的情況下。綜上，這項研究為基于柔性和可拉伸儲能裝置的創新可穿戴電子健康監測系統的開發奠定了基礎。