石墨烯因具有重量輕、導(dǎo)電性能極佳的優(yōu)勢(shì)而備受世人矚目，并被廣泛應(yīng)用于各種功能材料和智能器件中。由于市場(chǎng)需求的激增，可穿戴傳感器已經(jīng)廣泛應(yīng)用于眾多領(lǐng)域，如運(yùn)動(dòng)檢測(cè)、人工智能、假肢皮膚、智能機(jī)器人、人機(jī)界面和人機(jī)交互等。隨著柔性感知電子器件的快速發(fā)展，石墨烯基可穿戴傳感器在醫(yī)療保健領(lǐng)域發(fā)揮著越來(lái)越重要的作用。

據(jù)麥姆斯咨詢報(bào)道，近期，來(lái)自孟加拉國(guó)紡織大學(xué)（Bangladesh University of Textiles）的研究人員在Advanced Sensor Research期刊上發(fā)表了題為“Advances in Functionalized Applications of Graphene-Based Wearable Sensors in Healthcare”的綜述性文章，全面概括了石墨烯基可穿戴傳感器的發(fā)展進(jìn)程和人體健康監(jiān)測(cè)技術(shù)的最新趨勢(shì)。

在該綜述中，作者首先討論了應(yīng)用于醫(yī)療保健領(lǐng)域的石墨烯基可穿戴傳感器的各種制造技術(shù)；隨后，詳細(xì)介紹了石墨烯基可穿戴傳感器在醫(yī)療領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用，以及其用于健康問(wèn)題監(jiān)測(cè)的傳感機(jī)制；接著，作者總結(jié)了石墨烯基可穿戴傳感器的最新發(fā)展，以及其所面臨的挑戰(zhàn)和解決這些挑戰(zhàn)的潛在方法；最后，作者闡述了應(yīng)用于醫(yī)療保健領(lǐng)域的石墨烯基可穿戴傳感器的未來(lái)研究方向，以期推進(jìn)可穿戴傳感器的發(fā)展，從而為人類和動(dòng)物謀取更多的福祉。

用于人體檢測(cè)的石墨烯基可穿戴傳感器示意圖

石墨烯基可穿戴傳感器的各種制造技術(shù)

石墨烯基可穿戴傳感器在醫(yī)療保健領(lǐng)域的應(yīng)用

作為一項(xiàng)新興技術(shù)，石墨烯基可穿戴傳感器具有良好的發(fā)展?jié)摿Γ瑢?duì)醫(yī)療保健領(lǐng)域的發(fā)展產(chǎn)生積極影響。然而，其仍然面臨著許多需要解決的挑戰(zhàn)和限制。

石墨烯基可穿戴傳感器面臨的首要挑戰(zhàn)是高難度和復(fù)雜的石墨烯合成工藝。目前，研究人員已經(jīng)開(kāi)發(fā)出多種不同的石墨烯生產(chǎn)工藝，但遺憾的是，沒(méi)有任何一種工藝是完美的。例如，化學(xué)氣相沉積法生產(chǎn)的石墨烯具有產(chǎn)量大、質(zhì)量高且層數(shù)可控的優(yōu)勢(shì)，因而成為最有希望實(shí)現(xiàn)石墨烯工業(yè)化生產(chǎn)的方法之一，但該方法的轉(zhuǎn)移過(guò)程效率不高。同樣，剝落法具有成本低、方法簡(jiǎn)單的優(yōu)勢(shì)，但利用其制備的石墨烯的尺寸和層數(shù)無(wú)法得到適當(dāng)控制。

另一個(gè)值得關(guān)注的問(wèn)題是石墨烯基復(fù)合材料的生物相容性。研究發(fā)現(xiàn)，部分石墨烯基復(fù)合材料具有生物相容性，但也有一些是具有毒性的。目前，研究人員已經(jīng)利用魚(yú)類、植物、真菌、細(xì)菌等對(duì)石墨烯的毒性進(jìn)行了研究。研究結(jié)果表明，石墨烯對(duì)這些生物的影響大多是負(fù)面的，并且其影響具有一定的種屬差異。在后續(xù)的研究中，需要進(jìn)一步明確石墨烯對(duì)人類健康和環(huán)境的影響，以使其開(kāi)發(fā)和使用過(guò)程更具可持續(xù)性和人類友好性。

此外，雖然石墨烯電極具有一定的柔性，但由應(yīng)力導(dǎo)致的腐蝕開(kāi)裂現(xiàn)象時(shí)有發(fā)生（尤其是應(yīng)用于心電圖檢測(cè)時(shí)），從而導(dǎo)致器件的電子阻抗增加，并進(jìn)一步導(dǎo)致器件靈敏度的降低。目前，研究人員正在致力于研究一些新技術(shù)來(lái)提高其柔性和耐用性。例如，通過(guò)加入銀納米線或碳納米管這樣的橋接材料可以提高器件的機(jī)械穩(wěn)定性。此外，還可以通過(guò)構(gòu)建離子鍵和π?π鍵，在器件襯底和納米材料之間形成“磚墻結(jié)構(gòu)（brick and motar）”，從而提高傳感器的整體穩(wěn)定性。

同樣值得注意的是，石墨烯基可穿戴傳感器在檢測(cè)信號(hào)時(shí)顯示出較窄的傳感范圍，無(wú)法滿足實(shí)際應(yīng)用需求。因此，需要通過(guò)進(jìn)一步研究，開(kāi)發(fā)出高靈敏度、寬檢測(cè)范圍的石墨烯基可穿戴傳感器。此外，舒適性也是可穿戴傳感器必須具備的特性。研究發(fā)現(xiàn)，目前，大多數(shù)可穿戴傳感器利用傳統(tǒng)的膠帶或繃帶將傳感器固定在人體或皮膚上，這可能會(huì)給使用者帶來(lái)不適。因此，需要開(kāi)發(fā)自粘性可穿戴傳感器，這可以通過(guò)使用受壁虎啟發(fā)的仿生微纖維、超薄封裝材料、帶有可溶脹尖端的微針陣列或化學(xué)粘合劑（例如聚多巴胺）來(lái)實(shí)現(xiàn)。

此外，在理想的狀態(tài)下，可穿戴傳感器應(yīng)只對(duì)人體本身的生理變化產(chǎn)生響應(yīng)，而不受環(huán)境因素的影響。然而，由于石墨烯是一種非常敏感的材料，其可能會(huì)因?yàn)闇囟?、濕度或pH值的變化而產(chǎn)生不同的響應(yīng)。因此，需要對(duì)石墨烯基可穿戴傳感器進(jìn)行進(jìn)一步的研究，以防止其受外界因素的影響。

最后，對(duì)于可穿戴傳感器的長(zhǎng)期使用，可持續(xù)能源供給是一個(gè)潛在的問(wèn)題，通過(guò)整合自供電發(fā)電機(jī)可以緩解這一問(wèn)題。例如，摩擦納米發(fā)電機(jī)可以從環(huán)境和人體運(yùn)動(dòng)中收集能量，將其與石墨烯基可穿戴傳感器整合在一起，可以使其具有自供電能力。

審核編輯：彭菁