北京航空航天大学：基于二维材料的可穿戴生物设备—从柔性传感器到智能集成系统

可穿戴生物设备的快速发展推动了柔性多功能材料在健康监测中的应用。将可穿戴传感器与多功能智能系统相结合，已成为远程健康监测和个性化健康管理的趋势。二维材料因其卓越的机械、电学、光学和化学特性而备受关注，可高效集成于柔性传感系统中。随着具有独特性能的二维材料的迅速发展，可穿戴传感器在智能交互和集成功能方面展现出了新的应用前景。本综述整合了最新进展，概述了二维材料在可穿戴生物设备中的优势、传感机制及应用前景，重点关注其在多功能智能集成系统中的作用，包括自供电、诊断/治疗功能及人机交互，并系统总结了应用中面临的挑战与潜在解决方案。

本文亮点

1.本综述全面梳理并评述了高性能可穿戴生物传感器件中二维材料及相关技术的最新进展，涵盖了二维材料的优势及其在生物传感领域中的应用潜力。

2.系统分析了二维材料在可穿戴生物器件制造中的优势、传感机制及潜在应用，并对基于二维材料的前沿生物传感器件进行了系统分类和概述。

3.针对二维材料在可穿戴生物器件应用中面临的挑战，深入探讨了关键问题，并提出了潜在的解决方案。

内容简介

可穿戴生物传感器是一种无创、连续监测人体生理信号的电子器件，广泛应用于健康监测、医学诊断及治疗领域。在众多材料中，二维(2D)材料因其独特的机械、电学、光学及物理化学特性，受到了广泛关注。这些材料能够以原子级的片层高效集成于薄膜中，在传感领域中展现了巨大的潜力。尽管这一领域已取得显著进展，但针对基于二维材料的生物传感设备，尤其是从单一功能传感向功能集成传感系统转变的研究，仍缺乏系统性的总结。

北京航空航天大学李景、北京理工大学刘建丽等人综述总结了二维材料在可穿戴生物设备中的最新进展。首先，系统分析了二维材料在可穿戴生物设备制造中的优势、传感机制及潜在应用。随后，系统地探讨了基于二维材料的生物传感器件，并按照其与人体物理、生理及生化信号的交互机制进行分类。重点关注了二维智能设备中的多功能集成，包括自供电、集成诊断/治疗功能和人机交互。最后，综述简要总结了二维材料在生物设备应用中的现存挑战与潜在解决方案，并针对关键问题提出了应对策略，为推动二维材料在可穿戴设备领域的应用提供了有益参考。

图文导读

I引言

随着慢性病发病率的上升和全球老龄化问题的加剧，健康监测和医疗护理备受关注。可穿戴生物设备作为一种极具前景的解决方案，能够实现多种生理信号的定期和持续监测。然而，传统硬质电子材料在电导率、机械响应和环境适应性上难以与生物组织相匹配，且难以贴合不规则的柔性表面。相比之下，柔性二维材料因具备量子限域效应、丰富的化学组成和易于组装的特性，展现出集成力学、导电和光电功能的潜力，为可穿戴生物设备的应用带来了独特优势。

图1. 基于二维材料的可穿戴设备及其在人体健康传感中的应用。 II二维材料在可穿戴生物设备中的优势 在可穿戴生物设备领域，二维材料的探索与创新应用已成为研究前沿。其原子级厚度与高比表面积赋予其在传感领域中优异的灵敏度、低检测限和良好的变形能力，能够有效满足可穿戴传感设备的需求。此外，二维材料的优异机械性能、适形性及范德华相互作用，使其在多功能集成系统中展现出独特优势，广泛应用于气体传感、光学和电子设备等领域。

图2.二维材料在可穿戴设备中的优势。二维材料凭借其原子级厚度，展现出卓越的柔韧性，能够紧密贴合生物组织。其范德华力相互作用使得构建具备定制性能的多功能异质结构成为可能。同时，二维材料的多元素特性为可穿戴技术的创新提供了新的机遇。 III健康监测 二维材料凭借其独特的物理化学特性，在健康监测领域展现了巨大的应用潜力。日常生活中的生物物理信号(如机械力、温度信号等)、电生理信号和化学信号(如气体、代谢物等)蕴含着丰富的健康信息。集成式可穿戴设备已成为实时跟踪和分析这些信号的有效工具，促进人机交互并实现健康监测。制造技术的进步和新材料的发展推动了可穿戴设备的创新，为解决医疗难题提供了新的解决方案。二维材料的原子级厚度、高载流子迁移率和优异的柔韧性，使得轻量化、微型化及高灵敏度的多功能可穿戴设备成为可能。

图3. 基于二维材料的可穿戴传感器在人体复杂生理信号监测中的应用：包括物理、电生理和化学信号的监测。

图4. 二维材料可穿戴设备在机械信号检测的应用。(a) 基于石墨烯的三维电容式触摸传感器的结构示意图；(b) 手指靠近时手掌上三维电容式触摸传感器的光学图像；(c) 手指接近器件时其相对电容变化的映射图；(d) TPU-BNNS电阻应变传感器的结构示意图；(e) TPU-BNNS应变传感器在0-100%应变之间循环30次以上时，应变传感器饱和温度的波动范围；(f) TPU-BNNS传感器在100%下循环测试5000余次，内插图展示了标记区域的放大视图。

图5. 二维材料可穿戴设备在高灵敏度和动态机械信号监测中的应用。(a) 通过Ti₃C₂Tₓ纳米片的端基基团对PVDF聚合物链进行原位拉伸和取向以提高自发极化的示意图；(b) 通过结构建模展现PVDF/MXene复合织物压电势分布；(c) 基于MXene的压电传感器用于步态监测；(d) 石墨烯基电子纹身血压检测示意图；(e) 石墨烯基电子纹身血压检测原理示意图；(f) 石墨烯基电子纹身与商用血压检测设备的检测性能比较。

图6. 二维材料可穿戴设备用于体温检测。(a) PU/石墨烯封装PEDOT:PSS纤维制备的织物；(b) 在36.1-37.8°C温度范围内复合纤维的电流特性；(c) 不同温度下复合纤维表现出的电阻稳定性；(d) 基于MoS₂温度传感器结构示意图；(e) 基于MoS₂温度传感器在不同加热周期和弯曲状态下的灵敏度；(f) 传感器的动态循环电响应和恢复曲线；(g) 通过原子层沉积技术将Ru与V-MXene复合形成的异质结示意图；(h) 基于接触式和非接触式传感的温度传感器测试图；(i) 制备的温度传感器的相对电阻变化与温度的关系。

图7. 二维材料可穿戴设备用于电生理信号检测。(a) MXene基表皮传感器的结构示意图。(b) MXene基表皮传感器用于心电检测；(c) MXene基表皮传感器与商用传感器在EMG检测中的性能比较；(d) 石墨烯基电子皮肤结构示意图；(e) 使用PTG、纯PEDOT: PSS和Ag/AgCl传感器测量的眼电图；(f) PTG采集手指运动的表面肌电图；(g) 用于ERG监测的石墨烯基角膜接触镜结构示意图；(h) Parylene-C和石墨烯接触镜器件的光学透过率；(i) 石墨烯接触镜器件与商用电极ERG监测性能的比较。

图8. 二维材料可穿戴设备在健康相关气体检测中的应用。(a) 基于In₂O₃/g-C₃N₄异质结的NO₂气体传感器的结构示意图；(b) 光强度对In₂O₃/g-C₃N₄基传感器性能的影响；(c) 在可见光照射下In₂O₃/g-C₃N₄基传感器对100 ppb和1 ppm NO₂重复性检测；(d) 基于PtSe₂的NH₃传感器的结构示意图；(e) PtSe₂基NH₃传感器在平坦状态和1/4 mm⁻¹曲率应变下的检测限比较；(f) PtSe₂基NH₃传感器与其他过渡金属二硫化物基气体传感器的性能比较；(g) SnS₂基NO传感器的结构示意图；(h) SnS₂基传感器在不同NO浓度下的传感性能；(i) 不同呼气NO浓度下SnS₂基传感器的灵敏度变化。

图9. 二维材料可穿戴设备用于体液检测。(a) 石墨烯基汗液传感器的结构示意图；(b) 石墨烯电极在体液传感器中减少离子扩散路径的示意图；(c) 石墨烯基传感器的离子干扰测试；(d) MXene基体液传感器的结构示意图；(e) MXene基体液传感器测量餐前和餐后葡萄糖水平；(f) 运动过程中乳酸传感器在各时间点的电流响应；(g) 改性石墨烯-Nafion生物传感器用于细胞因子生物标志物检测的示意图；(h) 生物传感器暴露于不同浓度IFN-γ的信号响应曲线；(i) 多次循环再生的石墨烯-Nafion传感器检测IFN-γ的曲线。 IV智能可穿戴设备 随着健康监测技术的进步，持续监测和记录身体活动的智能可穿戴设备变得日益重要。传统可穿戴设备通常依赖外部电源来监测人体生理信号，但随着医疗设备市场需求的增长及二维材料和新制造技术的广泛研究，集自供电、人工智能、疾病诊断和治疗功能于一体的智能可穿戴设备的开发进程正在加速。当前的研究重点是实现这些设备的智能化功能，以充分发挥其在提升生活水平和质量方面的巨大潜力。

图10. 基于二维材料的自供电可穿戴设备。(a) MXene/PVA自供电器件的结构示意图；(b) 基于MXene/PVA器件的摩擦充电机制；(c) 用于手写识别的基于MXene/PVA的智能可穿戴设备；(d) 无电池的生物燃料供电电子皮肤示意图；(e) 健康成人汗液样本中生物燃料电池的功率密度曲线；(f) 基于石墨烯的传感器对温度、pH值和葡萄糖的监测；(g) GO基自供电传感器结构示意图；(h) GO基自供电传感器检测不同频率的呼吸信号；(i) GO基自供电传感器在水面上不同距离处短路电流(ΔI)的变化。

图11. 二维材料可穿戴设备在人机交互中的应用。(a) 基于MXene的人工耳蜗植入物装置示意图；(b) 基于MXene人机交互设备的两阶放大工作原理；(c) 使用t-SNE降维技术对280种语音的发音信息进行可视化呈现；(d) 基于MoS₂的有源矩阵传感器结构示意图；(e) 不同运动状态下MoS₂的电阻变化率与呼吸湿度的关系；(f) MoS₂和纳米石墨烯传感器的电阻变化率在传感器与皮肤距离约2 mm时的映射图，下图为相应的相对湿度和应变分布；(g) 基于GO的人机交互传感器结构示意图；(h) 氢离子在梯度扩散作用下，在传感器的两端产生电位差；(i) 八种手语动作下传感器接收的压力变化数据序列。

图12. 基于二维材料的诊断与治疗集成系统。(a) 用于慢性眼表炎症的诊断与治疗集成系统示意图；(b) 抗原功能化的石墨烯修饰和抗原抗体反应的示意图；(c) MMP-9浓度检测与热敷贴的瞬时温度控制；(d) 用于糖尿病患者的智能贴片示意图，包含汗液调节、传感和治疗部分；(e) 生物可吸收微针的示意图。(f) 治疗组与对照组的糖尿病小鼠血糖浓度对比；(g) 基于石墨烯的诊断与治疗系统结构与功能示意图。(h) 肾脏坏死诊断实验装置图；(i) 三组不同治疗方式(无贴片、贴片未加热、贴片且加热)在10天内平均创面面积的比较。 V其他 具有类皮肤特性的可穿戴设备能够实现人体信号的持续监测，但现有器件的设计主要集中于捕捉皮肤表面信号，难以全面反映健康状况和疾病状态。相比之下，深层组织信号(如电生理、代谢、循环、热量和机械参数等)与疾病发展和症状密切相关，但由于皮肤和肌肉骨骼系统的屏蔽，获取这些信号仍面临挑战。在此背景下，基于二维材料的植入式可穿戴设备应运而生，能够有效探测深层组织信号，推动可穿戴设备从外部监测向体内监测的转变。

图13. 基于二维材料的植入式可穿戴设备。(a) 基于石墨烯的多阵列柔性微电极阵列结构示意图；(b) 通过柔性石墨烯微电极阵列柔性阵列记录大鼠皮质外神经活动的示意图；(c) 通过柔性石墨烯微电极阵列记录响应16 kHz刺激所诱发的神经活动的图表；(d) 透明且柔性的64通道石墨烯阵列，放大部分显示石墨烯线路(白色虚线)；(e) 铂纳米颗粒沉积前后，在1 kHz下测量的64个通道的阻抗分布图；(f) 在不同通道上触发的多单元活动波形图；(g) 石墨烯心脏贴片的结构示意图；(h) 石墨烯心脏贴片用于信号监测的心脏贴片示意图；(i) 濒死大鼠在10分钟内的心房和心室信号的平均振幅统计。

来源：纳微快报