印刷传感器在可穿戴健康监测设备中的应用

灵活且贴合佩戴者的医疗保健监测设备的越来越受到欢迎。在COVID-19大流行期间对远程护理的需求以及传感器精度技术进步的推动下，可穿戴健康监测设备在许多医疗保健领域得到了广泛的应用。特别是，用于远程医疗操作的可穿戴传感和监测设备的开发日益增多。远程医疗在过去几年中发展迅速，在COVID-19大流行期间更是如此，当时医生与患者之间的联系非常有限，远程医疗可以远程监控家中的病人，从而腾出急需的床位。虽然可穿戴技术可用于临床环境下的分析，但其潜力主要是远程健康监测。

这些可穿戴传感设备通常使用柔性材料，如聚合物、薄膜、二维材料和其他纳米材料。健康监测设备通常由与穿戴者身体贴合的柔性材料制成，并集成了电子元件，包括传感器、电源（电池、太阳能电池或纳米发电机等能量收集器）、通信技术（向中央处理系统传输数据）以及任何相关电路。

要在可穿戴技术中使用小巧灵活的电子元件并非易事，这也是为什么不同的纳米材料（尤其是二维材料）经常被用来制造元件的原因，因为它们既符合要求，又易于集成。但另一种方法也引起了人们的兴趣：将传感器（监控系统极关键的部分）直接打印到可穿戴设备上。

这些印刷传感器有时由二维材料和其他纳米材料制成，但也可以使用其他材料。将传感器打印到可穿戴健康监测设备上，可以为更多可穿戴监测设备的商业化铺平一条更简单、更容易的道路，尤其是在使用传统、廉价或易于使用的打印技术来打印传感器的情况下。

为什么选择印刷传感器？

尽管有多种先进的沉积和纳米沉积方法可以在可穿戴设备基底上制造薄膜传感器（通常使用柔性和保形性良好的软聚合物），很多生物医学传感器也可以使用丝网印刷技术进行制造。虽然喷墨和转印等其他技术也可用于印刷传感器，但丝网印刷被认为是理想的选择。

丝网印刷设备应用广泛，成本相对较低，而且比先进的沉积方法更容易使用，因此它为在医疗保健监测设备中使用印刷传感器提供了更具扩展性和商业可行性的途径。丝网印刷还可采用聚合物溶液以及导电纳米材料油墨等多种材料，因此是一个多功能平台，可印刷多种传感器。

那么，为什么选择印刷传感器，而不是通过其他途径来制造呢？丝网印刷是一种简单、快速且高效的技术，能够一次性印刷出大量相同的图案。

从规模化生产和商业化潜力方面来看，丝网印刷可以轻松适应大规模生产，且与其他方法相比成本更低。

从性能角度来看，丝网印刷不仅能够提供高分辨率图案，还适用于大面积印刷。与传统制造方法相比，丝网印刷可以按需在指定位置沉积材料，减少浪费，因为所有步骤只需一步即可完成，所以在大规模生产时尤为明显。

因此，使用印刷方法会为制造带来很多好处。除此之外，因为印刷方法不仅可以生产非常薄的传感器，还能在设备表面进行印刷，为可穿戴健康设备赋予了更强的设计能力。这种方法比将设备集成到可穿戴设备的材料基材中要简单得多。由于可以按需打印，您还可以创建更个性化的传感器，并且可以更改打印过程，以制造出不同的传感器，这比典型的制造生产线要容易得多。

与丝网印刷兼容的材料有很多。根据所创建传感器的类型，有多种材料可供选择。一方面，金属都可以制成可印刷的导电油墨，用于制造传感器。可穿戴健康传感器常用的金属包括金、铜、铂、镍、铝和银。除金属外，多种纳米复合材料（石墨烯、碳纳米管复合材料）、功能性纳米材料油墨和银复合材料都被用作印刷可穿戴健康传感器的活性传感层。

传感器还需要一个可印刷的平台。这种平台通常采用导电聚合物，以便传感器更好地与皮肤和其他组件相互作用，从而提供更高的灵敏度和可靠性。PEDOT:PSS是广泛用于印刷传感器的聚合物平台，其他聚合物材料还有聚乙炔、聚吡咯、聚苯、聚对苯二甲乙烯和聚噻吩聚苯胺。

医疗保健监控应用中备受关注的印刷传感器

正如许多材料可用于制造印刷传感器一样，也有很多印刷传感器也可用于健康监测设备。以应变传感器为例，此可穿戴传感器可测量运动形式，用于人体生理信号和人体关节运动监测。

另一种医疗保健专用传感器可测量不同的生物分子和人体信号。非应变传感器可直接检测目标生物分子，或通过直接测量患者表现出的生理参数来检测目标生物分子。从分子传感的角度来看，可以检测到血液中的许多生物分子，包括葡萄糖水平以及人体皮肤上的汗液等常见的生物分子。从信号检测的角度来看，印刷传感器现在可以检测患者的呼吸和心跳水平，并提供远程心电图（ECG）监测。

传感器阵列也是一种可穿戴设备用印刷传感器。在传感器阵列中，会同时借助多个传感器一起检测更复杂或需要从多个刺激角度进行分析的问题。传感器阵列有助于监测行走步态、轮椅使用者的坐姿以及皮肤。

此外，可穿戴健康设备用温度印刷传感器的开发也取得了进展。热感应是疾病检测的关键领域，因为当人体出现疾病时，身体会承受热应力，皮温和体温的升高可能是严重疾病的主要警示信号。借助温度印刷传感器，可穿戴健康设备可以检测一系列慢性疾病，如心血管疾病、糖尿病、肺病以及癌症。

结语

健康监测可穿戴设备作为一种远程测量患者多项健康指标的有效方式，正在被越来越多的人接受。这些可穿戴设备中非常重要的部分是对患者进行分析的传感系统。为了让患者愿意长时间佩戴健康监测设备，传感器和其他可穿戴组件都需要可以弯曲。虽然可以集成柔性传感器（例如，通过使用薄纳米材料），但在设备表面打印传感器要容易得多，所需材料更少，可扩展性也更好。

市面上已经出现了各种印刷可穿戴健康设备（商业和学术领域）。文中所讨论的印刷方法有助于可穿戴健康设备的广泛普及。虽然有许多选择，但丝网印刷是当前主要的印刷技术，因为它用途广泛，可与多种材料配合使用，以创建监测从心率到疾病风险检测、血液中不同生物分子等不同健康状况的传感器。