柔性物理或化學(xué)傳感器10大最新研究成果

　　7. Sci. Adv.：類(lèi)皮膚柔性電子器件實(shí)現醫療級無(wú)創(chuàng )血糖監測

　　糖尿病已經(jīng)成為威脅現代人健康和生命的重大慢性疾病。2015年全球共有超過(guò)4億糖尿病患者，中國糖尿病患者人數超1億，位居全球首位。通過(guò)“扎手指”取血測量血糖的方法具有一定的疼痛感，影響糖尿病病人的生活質(zhì)量和自我監測長(cháng)期依從性。目前的無(wú)創(chuàng )連續血糖監測方法無(wú)法直接測量血液中葡萄糖，在準確性、便利性以及完全無(wú)創(chuàng )性等關(guān)鍵問(wèn)題上仍未突破。近日，來(lái)自清華大學(xué)的馮雪教授(通訊作者)等人在Sci. Adv.上發(fā)表了一篇關(guān)于無(wú)創(chuàng )血糖監測的文章。該工作利用類(lèi)皮膚柔性傳感技術(shù)建立了新的無(wú)創(chuàng )血糖測量醫學(xué)方法，為解決無(wú)創(chuàng )血糖動(dòng)態(tài)連續監測提供了一條新途徑，實(shí)現了醫學(xué)意義上在人體皮膚表面的無(wú)創(chuàng )血糖測量，并具有醫療級精度。相關(guān)內容被《科學(xué)進(jìn)展》媒體團隊(Science Advances Press Package Team)推薦給《紐約時(shí)報》《華爾街日報》《經(jīng)濟學(xué)人》等國際知名媒體。12月21日，國際電氣與電子工程師協(xié)會(huì )(IEEE)的旗艦出版物《科技縱覽》(IEEE Spectrum)對該論文率先進(jìn)行了專(zhuān)題報道，來(lái)自普渡大學(xué)和青少年糖尿病研究基金會(huì ) (JDRF)的研究人員給予高度評價(jià)。馮雪教授的研究團隊結合多年的可延展柔性電子器件研究經(jīng)驗，發(fā)展了基于力學(xué)-化學(xué)耦合原理的電化學(xué)雙通道無(wú)創(chuàng )血糖測量方法，利用可以與人體自然共型貼附的柔性電子器件，對皮膚表面施加不會(huì )引起皮膚不良反應的電場(chǎng)，通過(guò)離子導入的方式改變組織液滲透壓，調控血液與組織液滲透和重吸收平衡關(guān)系，驅使血管中的葡萄糖按照設計路徑主動(dòng)、定向地滲流到皮膚表面?；诹W(xué)原理在1.2微米厚的薄膜上制備了具有四層功能層的類(lèi)皮膚生物傳感器。通過(guò)制備器件表面微結構實(shí)現了納米級厚度的電子介體電化學(xué)沉積，利用基于液體表面張力和蒸發(fā)毛細力的仿生液滴轉印方法，將多層超薄生物傳感器從制備基底上無(wú)損地剝離下來(lái)，實(shí)現整體厚度只有3.8微米的類(lèi)皮膚柔性生物傳感器的制備。

　　8. Adv. Mater.：診斷心血管疾病的自驅動(dòng)脈博傳感器

　　心血管疾病是全球目前導致死亡率最高的疾病之一。長(cháng)久以來(lái)心血管疾病患者一直飽受恐懼和折磨。幸運的是，目前90%的心血管疾病可以通過(guò)長(cháng)期的與心血管系統相關(guān)的生理信號檢測得到預防。目前用于的生理信號原位監測的器件質(zhì)量和性能參差不齊，雖然可以達到一定的效果，但設備無(wú)法長(cháng)久使用需要定期更換供電系統。尤其是設備小型化導致的電源供應的減少讓靈敏度和功耗之間的矛盾愈加突出。相較于目前大量的研究工作聚焦于尋求功耗與靈敏度之間的平衡，自驅動(dòng)主動(dòng)式傳感技術(shù)的提出為解決這一矛盾提供了新的方案，它可以將機械振動(dòng)信號直接化為電信號從而解決功耗和靈敏度的矛盾，實(shí)現無(wú)功耗高靈敏度的自驅動(dòng)傳感。中科院北京納米能源與系統研究所李舟研究員(通訊作者)和王中林院士(通訊作者)領(lǐng)導的聯(lián)合科研團隊，與北京安貞醫院和朝陽(yáng)醫院范一帆(通訊作者)、孫廣龍兩位心血管疾病專(zhuān)家合作開(kāi)展研究工作，共同研發(fā)出無(wú)需信號放大就可藍牙傳輸、針對心血管疾病進(jìn)行預警和診斷的自驅動(dòng)超高靈敏脈搏傳感器(SUPS)。SUPS是基于摩擦發(fā)電的主動(dòng)式傳感器，可輸出電壓1.52V，具有很高的峰值信號與噪聲比(45dB)，是醫用光電傳感器的10倍，在工作一千萬(wàn)次循環(huán)后仍有很好的輸出特性，且制備成本很低，只有醫用光電傳感器的1/5。SUPS相比傳統的需要供電的PPG(光電脈搏傳感器)、PPT(壓電脈搏傳感器)等脈搏傳感器，能夠獲得更多的脈搏波的細節信號。SUPS輸出的脈搏波形信號與傳統設備所獲取信號的二階導數成正比，這使得我們在無(wú)需額外復雜電路設計或邏輯運算的情況下便可很容易分析脈搏信號。SUPS輸出電壓高，無(wú)需信號放大器就可以和藍牙芯片一起集成，可實(shí)現脈搏信號的無(wú)線(xiàn)傳輸，并實(shí)現在智能手機/電腦上的可視化顯示與分析。利用該脈搏傳感系統，研究人員對健康成人組和一系列患者組進(jìn)行了對比試驗，成功的實(shí)現了對心律失常(房顫)的提示性診斷及對冠心病、房間隔缺損的鑒別性診斷。SUPS有望在未來(lái)實(shí)現心血管疾病的自驅動(dòng)可穿戴智能移動(dòng)診斷。

　　9. Nat. Nanotech.： 由長(cháng)尾玻璃翼蝴蝶為醫療設備設計的多功能雙光子納米結構

　　據調查發(fā)現，估計有8-10%的美國人(5-6%在其他發(fā)達國家)在他們的一生中，都需要依靠植入的醫療設備來(lái)維持身體機能。因此，開(kāi)發(fā)醫療植入技術(shù)的努力一直在增加。然而，對這些努力的一種主要挑戰是，要求在嚴格限制的范圍內具有多種功能，同時(shí)必須確保在體內性能和可靠性能方面可以接受。工程多功能表面的靈感通常來(lái)自于自然界，它擁有大量的納米結構，具有廣泛的理想特性。在自然界中，許多活的生物體都擁有能夠為生存提供顏色和其他多種功能的光子納米結構。雖然這些結構已經(jīng)在實(shí)驗室中進(jìn)行了積極的研究和復制，但目前尚不清楚它們是否可以用于生物醫學(xué)應用。近日，美國加州理工學(xué)院的Hyuck Choo教授和加利福利亞大學(xué)的David Sretavan教授(共同通訊作者)等報道了一種透明的雙光子納米結構，它受到長(cháng)尾玻璃翅蝴蝶(Chorinea faunus)的啟發(fā)，并展示了它在體內的眼壓(IOP)傳感器的使用。利用兩種非混相聚合物(聚甲基丙烯酸甲酯和聚苯乙烯)相分離，在Si3N4基質(zhì)上形成納米結構的特征。因此形成的膜具有良好的角質(zhì)性白光透射性、強親水性和抗生物活性，防止蛋白質(zhì)、細菌和真核細胞粘附。并且，他們用制備的光子膜作為光學(xué)傳感元件，研制了一種微型的植入式IOP傳感器。最后，通過(guò)在新西蘭白兔體內進(jìn)行的活體檢測，表明制備的設備在沒(méi)有炎癥跡象的情況下，降低了IOP的平均測量偏差。

　　10 . Nature Communications：可拉伸擴展的多功能集成電子皮膚

　　人體皮膚是一個(gè)活躍、非常敏感和高彈性的感覺(jué)器官，主要承擔著(zhù)保護身體、排汗、溫度調節、感知冷熱和壓力等功能。人體軀體感覺(jué)系統能夠通過(guò)皮膚中的觸覺(jué)、溫度、痛覺(jué)等感受器將外界環(huán)境刺激轉化為電脈沖信號，經(jīng)過(guò)神經(jīng)通路傳導至神經(jīng)中樞，從而使皮膚獲得觸覺(jué)、痛覺(jué)等感覺(jué)功能?；谄つw這種多功能生物模型，科學(xué)家們開(kāi)展了一門(mén)新興學(xué)科研究——觸感電子學(xué)(俗稱(chēng)“電子皮膚”，Electronic skin， E-skin)，用來(lái)模仿皮膚的感覺(jué)功能如觸覺(jué)、溫度感知等功能。目前，電子皮膚是在柔性或彈性基底上制作具備探測壓力、溫度或其他刺激的傳感器及陣列，能夠感知周?chē)h(huán)境中的多種物理、化學(xué)、生物等信號，將有助于開(kāi)發(fā)新型人機接口、智能機器人、仿生假肢等智能化系統。電子皮膚的重要發(fā)展趨勢是：多功能化以及多重刺激同步監測。近日，來(lái)自中國科學(xué)院北京納米能源與系統研究所潘曹峰研究員、王中林院士的研究團隊報道了一種柔性可拉伸擴展的多功能集成傳感器陣列，成功地將電子皮膚的探測能力擴展到7種，實(shí)現了溫度、濕度、紫外光、磁、應變、壓力和接近等多種外界刺激的實(shí)時(shí)同步監測。

　　總結與展望

　　隨著(zhù)社會(huì )經(jīng)濟的飛速發(fā)展，諸多領(lǐng)域對所使用的材料提出了越來(lái)越高的要求， 考慮到大多數可穿戴系統，醫療保健電子和實(shí)驗室芯片測試工具都可以接觸到任意彎曲的接口，傳感器的靈活性對于改善其與目標系統的相互作用以及提高可靠性和穩定性至關(guān)重要的測試。因此，靈活的傳感器對于諸如醫學(xué)，醫療保健，環(huán)境和生物學(xué)等領(lǐng)域的各種創(chuàng )新應用非常有希望。因此本課題將以當下熱門(mén)的石墨烯基柔性傳感器領(lǐng)域為切入點(diǎn)，在追求高性能目標的同時(shí)，通過(guò)對其組分和結構設計賦予其特征信號響應的功能。然而無(wú)論是傳統的傳感材料或是環(huán)境響應材料投入到實(shí)際應用中仍然存在諸多問(wèn)題，主要有以下幾點(diǎn)：

　　(1)目前制備傳感器件的柔性基底少，電學(xué)與力學(xué)性能無(wú)法滿(mǎn)足使用需求。

　　(2)多層結構的傳感器件在柔性狀態(tài)下界面不穩定，影響傳感器件的性能。

　　(3)功能單一的傳感器件往往無(wú)法滿(mǎn)足實(shí)際，功能單一和智能化程度低。