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香港理工鄭子劍/南科大林苑菁團隊 Sci. Adv.：基于織物單片集成的無線表皮生物傳感腕帶的最新研究進展

2023-11-15 來源：高分子科技

近日，香港理工大學鄭子劍課題組與南方科技大學林苑菁課題組在柔性可穿戴傳感器件領域取得研究進展，相關研究以“A Monolithically Integrated In-textile Wristband for Wireless Epidermal Biosensing”在國際頂級期刊Science Advances上發表。南科大-港理工2021級聯培博士生馬小浩為論文第一作者，林苑菁（南方科技大學深港微電子學院，助理教授）和鄭子劍（香港理工大學，講席教授）為共同通訊作者。

汗液含有許多生物標志物，包括電解質、代謝物、氨基酸和激素，對這些生物標志物的持續監測可以實現早期疾病的發現和管理。另一方面，電子織物由于其獨特的舒適性和透氣性，在汗液生物傳感中具有很大的潛力。然而，織物固有電阻大且電子集成度低，現有的方法通常只將傳感器集成在織物上，而無法實現整個電子系統的高兼容性集成互連。聚合物輔助金屬沉積 (PAMD)作為一種低成本、高產出的工藝可用來制造高導電的紡織品（紡織品電導率與塊金屬在同一個數量級）。PAMD工藝為制造用于柔性傳感的電子織物系統提供了新思路。

作者報導了一種混合集成在單層織物上的手環，用于實時無線檢測汗液中的生物標志物。通過PAMD工藝與改良的雙面光刻技術在單層織物上實現了與傳統印刷電路板(PCB)一樣的電路圖案（圖1）。基于特別設計的電路圖案，制造了由以下三部分組成的手環：用于離子檢測的高選擇性傳感器，用于信號提取和處理的電路，以及用于無線數據傳輸的藍牙模塊和應用App。集成的手環可在0.3-40 mM范圍內連續監測汗液鉀離子濃度，精確度達到0.994，實現了可靠的無線實時表皮生物傳感。此外，該手環具有79 mm s^-1的優異透氣性和270 g m^-2day^-1的透濕性，比商業醫用膠帶和柔性電子產品中常用的彈性體還高出一個數量級以上，從而確保佩戴舒適性（圖2）。這項工作作為一種制造可穿戴電子織物的獨特策略，在移動健康和遠程醫療等方面具有巨大潛力。

圖1 (A)單片集成織物手環的無線汗液傳感示意圖。(B)柔性貼片織物手環的照片 (2.5×9 cm)。(C)手環系統設計概念圖。(組件1和組件2分別為電化學汗液傳感的工作電極和參比電極。組件3和4是電壓跟隨器、放大器和濾波器。組件5和組件6分別為模數轉換器(ADC)和藍牙模塊)。

圖2 (A)鉀離子傳感器開路電壓響應的重復性。(B)傳感器的檢出限(LOD)。(C) 傳感器可重復性。(d) 傳感器的長期穩定性。（E)基于滌綸布的織物手環的透氣性和防水性測試。(F) 織物手環的透濕性測試。(G)織物手環的透氣性和透濕性與純彈性體和紡織面料的比較。彈性體:PET, PDMS和Ecoflex薄膜。紡織面料:滌綸、尼龍、棉、氨綸布。

圖3 (A) 用于汗液收集的微流控通道的概念驗證。(B)運動時使用手環進行現場汗液監測。(C)戴在手臂上的手環照片。(D)定制的實時連續鉀離子傳感的手機App。(E)動感單車騎行時的實時汗液鉀離子水平。(F)手環檢測的離子濃度結果與標椎等離子體質譜分析儀的結果比較。

論文鏈接：https://www.science.org/doi/pdf/10.1126/sciadv.adj2763

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（責任編輯：xu）

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