南方科技大学林苑菁/香港理工大学郑子剑团队Science Advances：基于织物单片集成的无线表皮生物传感腕带的最近研究进展

2023-11-15 科研聚焦 浏览量：6513

近日，南方科技大学林苑菁课题组与香港理工大学郑子剑课题组在柔性可穿戴传感器件领域取得研究进展，相关研究以“A Monolithically Integrated In-textile Wristband for Wireless Epidermal Biosensing”在国际顶级期刊Science Advances上发表。南科大-港理工2021级联培博士生马小浩为论文第一作者，林苑菁（南方科技大学深港微电子学院，助理教授）和郑子剑（香港理工大学，讲席教授）为共同通讯作者。

汗液含有许多生物标志物，包括电解质、代谢物、氨基酸和激素，对这些生物标志物的持续监测可以实现早期疾病的发现和管理。另一方面，电子织物由于其独特的舒适性和透气性，在汗液生物传感中具有很大的潜力。然而，织物固有电阻大且电子集成度低，现有的方法通常只将传感器集成在织物上，而无法实现整个电子系统的高兼容性集成互连。聚合物辅助金属沉积 (PAMD)作为一种低成本、高产出的工艺可用来制造高导电的纺织品（纺织品电导率与块金属在同一个数量级）。PAMD工艺为制造用于柔性传感的电子织物系统提供了新思路。

作者报导了一种混合集成在单层织物上的手环，用于实时无线检测汗液中的生物标志物。通过PAMD工艺与改良的双面光刻技术在单层织物上实现了与传统印刷电路板(PCB)一样的电路图案（图1）。基于特别设计的电路图案，制造了由以下三部分组成的手环：用于离子检测的高选择性传感器，用于信号提取和处理的电路，以及用于无线数据传输的蓝牙模块和应用App。集成的手环可在0.3-40 mM范围内连续监测汗液钾离子浓度，精确度达到0.994，实现可靠的无线实时表皮生物传感。此外，该手环具有79 mm s-1的优异透气性和270 g m-2day-1的透湿性，比商业医用胶带和柔性电子产品中常用的弹性体还高出一个数量级以上（图2），从而确保佩戴舒适性。这项工作作为一种制造可穿戴电子织物的独特策略，在移动健康和远程医疗等方面具有巨大潜力。

图1 (A)单片集成织物手环的无线汗液传感示意图。(B)柔性贴片织物手环的照片 (2.5×9 cm)。(C)手环系统设计概念图。(组件1和组件2分别为电化学汗液传感的工作电极和参比电极。组件3和4是电压跟随器、放大器和滤波器。组件5和组件6分别为模数转换器(ADC)和蓝牙模块)。

图2 (A)钾离子传感器开路电压响应的重复性。(B)传感器的检出限(LOD)。(C) 传感器可重复性。(d) 传感器的长期稳定性。（E)基于涤纶布的织物手环的透气性和防水性测试。(F) 织物手环的透湿性测试。(G)织物手环的透气性和透湿性与纯弹性体和纺织面料的比较。弹性体:PET, PDMS和Ecoflex薄膜。纺织面料:涤纶、尼龙、棉、氨纶布。

图3 (A) 用于汗液收集的微流控通道的概念验证。(B)运动时使用手环进行现场汗液监测。(C)戴在手臂上的手环照片。(D)定制的实时连续钾离子传感的手机App。(E)动感单车骑行时的实时汗液钾离子水平。(F)手环检测的离子浓度结果与标椎等离子体质谱分析仪的结果比较。

    该研究工作得到了国家自然科学基金，广东省、深圳市、香港RGC基金支持。

   论文链接：https://www.science.org/doi/pdf/10.1126/sciadv.adj2763