基于集成纳米结构的可穿戴设备实时记录生理参数，可用于远程医疗

原创 MEMS 2022-08-25 00:00

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由于各种新的传染性（病毒/细菌）疾病的出现，对感染者的远程监测变得尤为重要，尤其是在医院需要隔离感染患者以防止病原体向医护人员传播的情况下。

据麦姆斯咨询报道，近日，一支由捷克布拉格化学与技术大学（University of Chemistry and Technology Prague）、奥斯特拉瓦技术大学（VSB - Technical University of Ostrava）、新加坡南洋理工大学（Nanyang Technological University）等机构的研究人员组成的团队在npj Flexible Electronics期刊上发表了题为“Telemedicine platform for health assessment remotely by an integrated nanoarchitectonics FePS3/rGO and Ti3C2-based wearable device”的最新论文，提出的可穿戴健康监测系统实时记录生理参数，在远程监测时可作为监测病原体感染状态的筛选工具。这项研究为基于柔性和可拉伸储能装置的创新可穿戴电子健康监测系统的开发奠定了基础。

图1 基于集成二维FePS3@rGO和Ti3C2的可穿戴设备的远程健康监测医疗平台

许多传染病与多种可使用可穿戴健康传感器监测的生理变化有关。异常的体温、呼吸频率和舒张压可能表明患者的感染状态。最近，世界面临新型冠状病毒（SARS-CoV-2）的大流行，许多医护人员在进行生理参数评估时与感染患者直接接触而被感染。表明人们有必要保持社交距离和隔离，以降低将病毒传染给他人的风险。在这种情况下，远程健康监测系统（RHMS）已被证明是对感染患者进行健康监测的最安全方法。RHMS可以定义为远距离提供医疗服务。RHMS通常包括三个主要组件：传感装置、数据传输装置和动力源装置。该传感装置检测各种生理参数，如体温、心率和血压，并将其转换为电信号，通过无线连接传输到智能手机或云端进行进一步分析。传感和数据传输过程都需要使用储能装置。

与其他典型的电子设备相比，可穿戴健康监测系统具有独特的电源要求。首先，储能装置和传感装置必须是可拉伸的、机械和电稳定的，以实现与人体一致的形状，从而实现恒定的检测性能。其次，由于该装置经常与人体部位接触，因此，储能和传感装置必须具有生物相容性，以最大限度地减少不良免疫反应和其他负面影响。关于上述几点，本论文的作者们制造了一种概念验证的可穿戴集成医疗监测系统，该系统采用了一个可拉伸非对称超级电容器（SASC）和应变传感器。其中，SASC是使用两种不同类型的二维材料制造而成的，例如过渡金属碳化物（例如Ti3C2），金属磷硫化物和还原的石墨烯氧化物复合材料（例如FePS3@rGO）。应变传感器使用相同的FePS3@rGO复合材料组装而成。

新兴的层状材料家族，通式为MPXy的金属磷硫化物，其中M表示过渡金属，X表示硫属元素（S或Se），y可以是3或4，具有优异的电子、磁性和各向异性特性。它们已被广泛应用于光电子学、自旋电子学、传感、氢吸附、催化以及电池电化学性能等领域。最近，利用MPS3（M =铁（Fe）、镍（Ni）、锡（Sn）、钴（Co））等材料制造锂离子电池备受人们关注。具体而言，FePS3、NiPS3和MnPS3已被确定为电池中有前途的正极材料，与之前研究的碳和金属氧化物电极相比，它们具有更大的容量和更长的运行时间。然而，作为可穿戴电子应用的柔性便携储能装置，MPXy尚未受到太多关注。另一方面，Ti3C2Tx（MXenes）由于其廉价的成本和一系列的优点而成为最常被研究的材料之一。Ti3C2Tx可以很容易地被编入到织物中，在健康传感器和储能装置应用方面显示出良好的前景。

在本论文研究中，作者们成功地开发了一种可穿戴健康监测系统，该系统将传感器和SASC集成来监测远程个体的实时生理参数，以便早期识别病毒感染或紧急情况。他们采用喷涂沉积法制备基于Ti3C2和FePS3@rGO的可拉伸电极，使用聚合物凝胶电解质组装Ti3C2/FePS3@rGO SASC。组装的SASC在重量比电容、循环稳定性、功率密度、速率性能、弯曲和拉伸稳定性方面表现出出色的电化学性能。然后，基于FePS3@rGO的储能装置和应变传感器被制造为柔性、可拉伸的动力源和用于监测实时呼吸周期的传感器。他们成功地监测了志愿者活动的实时呼吸模式。最后，他们将Ti3C2/FePS3@rGO SASC与温度传感器集成，并将其贴在用户皮肤上，实时准确地监测人体温度，并将数据无线传输到智能手机。这项研究工作中开发的无线健康监测系统可用于在急诊室监测各种传染性（病毒/细菌）疾病，尤其是在医院需要隔离感染患者以防止病原体向医护人员传播的情况下。综上，这项研究为基于柔性和可拉伸储能装置的创新可穿戴电子健康监测系统的开发奠定了基础。