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基于有机场效应晶体管的可穿戴柔性监测设备在生物医学领域的研究现状.pdf
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1、窑医疗卫生装备窑 2024年1月第45卷第1期悦澡蚤灶藻泽藻 酝藻凿蚤糟葬造 耘择怎蚤责皂藻灶贼 允燥怎则灶葬造 窑 灾燥造援 45 窑 晕燥援 1 窑 January 窑 2024基于有机场效应晶体管的可穿戴柔性监测设备在生物医学领域的研究现状郭恺1,唐翠芝1,孙博1,肖端强1,刘元标1,焦恩祥1,巩杰2,张海军1,3,4*(1.山东理工大学材料科学与工程学院,山东淄博255000;2.山东泰宝信息科技集团有限公司,山东淄博256407;3.同济大学医学院,上海200092;4.生物医用材料改性技术国家地方联合工程实验室,山东德州253000)摘要介绍了基于有机场效应晶体管(organic
2、field effect transistor,OFET)技术的柔性半导体器件的工作原理和发展概况,综述了基于OFET的生物力学监测设备、文身生物监测设备、细胞检测设备等可穿戴柔性监测设备的研究现状,分析了基于OFET的可穿戴柔性监测设备存在的不足,指出了微型化、个性化、多元化等是未来基于OFET的可穿戴柔性监测设备的发展方向。关键词OFET;可穿戴柔性监测设备;生物医学;生物力学监测设备;文身生物监测设备;细胞检测设备中国图书资料分类号R318.6曰TH772文献标志码A文章编号1003-8868渊2024冤01-0093-08DOI院10.19745/j.1003-8868.2024016
3、Status of wearable flexible monitoring devices based on organic fieldeffect transistors in biomedical fieldGUO Kai1,TANG Cui-zhi1,SUN Bo1,XIAO Duan-qiang1,LIU Yuan-biao1,JIAO En-xiang1,GONG Jie2,ZHANG Hai-jun1,3,4*(1.School of Materials Science and Engineering,Shandong University of Technology,Zibo
4、255000,Shandong Province,China;2.Shandong Taibao Information Science Technology Group Co.,Ltd.,Zibo 256407,Shandong Province,China;3.School of Medicine,Tongji University,Shanghai 200092,China;4.National-Local United Engineering Laboratory forBiomedical Material Modification Technology,Dezhou 253000,
5、Shandong Province,China)AbstractThe working principle and development of flexible semiconductor devices based on organic field effect transistor(OFET)technology were introduced.The current research status of OFET-based wearable flexible monitoring devices werereviewed,including biomechanical monitor
6、ing devices,tattoo biomonitoring devices and cellular detection devices and etc.The deficiencies of OFET-based wearable flexible monitoring devices were analyzed,and its pointed out that miniaturization,personalization and diversification were the directions for the development of the future OFET-ba
7、sed wearable flexible moni-toring devices.悦澡蚤灶藻泽藻 酝藻凿蚤糟葬造 耘择怎蚤责皂藻灶贼 允燥怎则灶葬造袁2024袁45渊1冤院93-100Key wordsorganic field effect transistor;wearable flexible monitoring device;biomedicine;biomechanical monitoringdevice;tattoo biomedical monitoring device;cellular detection device0引言可穿戴柔性监测设备是将可穿戴式医疗器械与人体皮
8、肤甚至人体器官共集成,从而实现精确测量、计算人体生理参数的一类监测设备。该设备采用柔性电子技术,具有柔软贴身、形态可变、功能可重构、与皮肤共形贴合等特点。可穿戴柔性监测设备的发展有力地推动了现代医学的变革,解决了许多医学领域的关键问题。例如,首先,可穿戴柔性监测设备可以采用非侵入人体的健康监测方式,实时监测人体重要的生理参数,如心率、血压、血氧饱和度等,以便能够第一时间获取患者生理的关键指标,及时为医生提供诊断依据。其次,可穿戴柔性监测设备可以实时监测患者的体温和呼吸频率等指标,结合数据分析和人工基金项目院国家自然科学基金面上项目(82270535)作者简介院郭恺(1987),男,博士研究生,
9、讲师,主要从事光电功能高分子、医用小分子的设计、合成与表征方面的研究工作,E-mail:。通信作者院张海军,E-mail:General Review综述郭恺,唐翠芝,孙博,等.基于有机场效应晶体管的可穿戴柔性监测设备在生物医学领域的研究现状J.医疗卫生装备,2024,45(1):93-100.93 窑医疗卫生装备窑 2024年1月第45卷第1期悦澡蚤灶藻泽藻 酝藻凿蚤糟葬造 耘择怎蚤责皂藻灶贼 允燥怎则灶葬造 窑 灾燥造援 45 窑 晕燥援 1 窑 January 窑 2024智能算法实现病情预警,帮助医疗系统更好地应对和防控传染性疾病。再次,可穿戴柔性监测设备不但可以实时监测患者生理的多项
10、指标,还可以将监测结果上传至远程监控系统,协助医生异地了解患者的身体状况和用药情况,根据实际情况调整治疗方案,最终提高药物的利用率及降低不良事件的发生率。在可穿戴柔性监测设备中,有机场效应晶体管(organic field effect transistor,OFET)是制备各种生物传感器的重要光电元器件1-6,也是传感器逻辑电路的关键组成部分。调节施加于OFET器件上电压的大小,可以有效地控制电流的放大程度以及电路的开关状态,有利于准确地获取测试结果。OFET兼具良好的柔性和生物相容性,因此传感器在置入患者体表或体内后较长的一段时间内依然可以保持稳定的性能,从而持续准确地检测人体内的化学成分
11、。此外,OFET还可用于制造模拟电路和数字电路,并实现放大传感器信号、滤波和数字化处理等功能。因此,基于OFET的可穿戴柔性监测设备在生物力学检测设备、文身生物检测设备、细胞检测设备等用于生物医学领域的可穿戴柔性生物电子器件中均有广泛的用途。本文主要对基于OFET的可穿戴柔性监测设备的研究现状进行概述,并对其未来发展方向进行展望。1生物力学监测设备生物力学监测设备主要用来测量和记录生物体在运动中的力学数据,多应用于运动生物力学研究、损伤康复、发育检测等方面。这类柔性传感设备一般由柔性基底、互联元件和传感器3个部分组成,一般是将柔性传感器整合到柔性基底上,再将二者一起整合到人的贴身衣物上。因为传
12、感器可以完美贴合在人体表面,所以可以准确地捕捉到人体的各种静态动作,且使用者穿戴这类设备时不适感较低。另外,该类设备能够根据待监测人体的外形、动作的姿势或其他参数(如手势、关节加速度等)发生一定的形变,保证测量人体各种动作数据的准确度。基于此,研究人员将对压力敏感的导电材料织入贴身衣物中,设计了多种传感服饰,如用于监测手部关节运动的跟踪手套7、用于监测膝盖等关节运动的可穿戴关节活动度测量仪8、用于健身或中风患者康复训练的肌肉运动能力监测系统9、用于分析步态的智能鞋10等。2019年,Lai等7设计制作了一种用于监测手腕运动的智能手套传感器。该智能手套传感器用莱卡材料制成,OFET传感器以嵌入的
13、形式安装在手套手腕处的口袋里(如图1所示)。这种安装方式简单有效,可防止器件在插入/取出口袋时损坏,而且即便OFET传感器损坏也比较容易替换。该研究测试了手腕在不同弯曲度和弯曲时间下手套传感器输出电流的变化情况,所得数据可用于评估某些工作带来的职业健康问题,例如通过分析装配线工人手腕运动的监测数据,评估连续装配工作对工人手腕关节磨损的程度。在赛艇运动中,错误的动作容易导致运动员出现膝盖和髋关节伤病。2007年,Tesconi等8开发了一种可穿戴关节活动度测量仪(如图2所示),用于监测运动员的膝盖和髋关节在赛艇运动中发生的运动变量。该测量仪的核心部分由6个固定在运动紧身衣腿部位置的OFET传感器
14、组成。当运动员做出动作时,紧身衣上发生的机械形变都可被相应部位的传感器接收,传感器中的OFET器件可将收到的机械信号转变为电信号,再传输给紧身衣上安装的信号接收器,信号接收器可将收集到的信号通过蓝牙传输到远程计算机上。这些数据可以帮助研究人员实时、准确地分析并纠正运动员在训练或比赛中做出的各种技术动作,从而有效地预防运动损伤。外力导致的OFET器件形变会引起电学性质的改变。基于二者的变换关系,2013年,Cosseddu等9以聚对苯二甲酸乙二醇酯(polyethylene terephthalate,PET)为柔性基底、并五苯为半导体材料,设计并制备了基于柔性OFET的肌肉运动传感器(如图3所
15、示)。该传感器可以将微小的机械信号准确地转化为电信号。将该肌肉运动传感器与运动控制装置联动,共同构成了肌肉运动能力监测设备。肌肉运动传感器准确地获取人体运动的信息后,将电信号传递给肌肉运动控制装置,该装置负责确定被测肌肉的运动能力信息,并结合数据库对人体特定或者单一肌肉组群或运动驱动软组织的动作进行控制。通过观测人的步态数据可以相应地获悉其自身的健康状况。2016年,Carbonaro等10开发了一款新型图1Lai等7设计的智能手套传感器图2Tesconi等8开发的可穿戴关节活动度测量仪General Review综述郭恺,唐翠芝,孙博,等.基于有机场效应晶体管的可穿戴柔性监测设备在生物医学领
16、域的研究现状J.医疗卫生装备,2024,45(1):93-100.94 窑医疗卫生装备窑 2024年1月第45卷第1期悦澡蚤灶藻泽藻 酝藻凿蚤糟葬造 耘择怎蚤责皂藻灶贼 允燥怎则灶葬造 窑 灾燥造援 45 窑 晕燥援 1 窑 January 窑 2024智能鞋。该智能鞋的右脚鞋跟中部(Fh处)和前足部(Ff处)都安装了基于OFET的柔性力学传感器,在鞋垫的下方、靠近鞋尖处安装了三轴加速度传感器等电子元件(xa、ya、za坐标轴处),如图4所示。穿戴者足底与地面之间的作用力可被鞋子的力学传感器准确监测到,然后由加速度传感器解析为足部动作和人体行走姿势的数字信号。这些数字信号可以通过Wi-Fi传输
17、到平板计算机或者智能手机上,方便用户随时监控自己的步态,对应地监测自己的身体状况。综上所述,基于OFET的柔性可穿戴生物力学监测设备在生物医学工程、运动科学、康复医学等多个领域中都发挥着重要的作用。这类设备充分利用了OFET的柔性特点,可以与人体表面紧密贴合,从而准确地测量出各种生物力学参数,为医疗、保健等专业人员提供关于患者的健康状况和疾病的治疗效果等重要信息。但是这类设备也存在着诸多问题,如:设备的能耗较高,需要频繁更换电池或充电,从而影响设备的续航能力;不同的设备可能使用不同的数据接口和通信协议,导致用户需要携带多个设备才能实现全面的健康监测;可能存在数据泄露等信息安全隐患。随着科技的不
18、断发展,未来将有综合性能更好、使用更加安全的柔性可穿戴生物力学监测设备被开发和应用,为医疗保健行业带来更多福祉。2文身生物监测设备目前,将柔性OFET器件直接植入到人体皮肤表面以制备文身生物监测设备,成为可穿戴柔性监测设备领域研究的热点之一。近年来已有多种类型的文身生物监测设备被陆续开发出来。例如,将有机或无机导电材料织入超柔性文身贴片的表面,制成生物电位监测装置11;某些物理传感器可用于研究智能机器人和开发智能电子皮肤(如触觉传感器)12-16,亦可用于化学和生物电位的同步监测17,或是在临床方面监测伤口的愈合程度18-20。开发新型生物电位测试电极是可穿戴生物电位记录系统研究的关键问题之一
19、。现在常用的一次性凝胶电极是镀于金属基底的Ag/AgCl电极,使用该电极时需要在活体组织和电极的表面预先涂覆电解质层,以降低皮肤和电极之间的接触电阻,从而减少图像伪影和稳定图谱基线。然而用作电解质层的盐类大多含氯,其溶液容易刺激皮肤,还会腐蚀Ag/AgCl电极表面。近年来,将柔性水贴纸作为基底、聚合物材料作为电极的文身生物电位监测设备因不需要使用电解质层,可以有效避免上述问题。例如,Ferrari等11以喷墨打印的方式将聚苯乙烯磺酸盐和聚3,4-乙烯二氧噻吩的共混物涂覆于柔性水贴纸上,然后外接传感设备制备文身电极(如图5所示)。采用该电极和Ag/AgCl电极测试患者的表面肌电图,二者的均方根振
20、幅、信噪比等测试结果基本一致。2017年,Lai等12在聚对二氯甲苯纳米晶片上修饰了OFET电路(如图6所示)。整体器件厚度仅600 nm,杨氏模量为0.58 GPa,平均载流子迁移率为0.14 cm2/(Vs),平均阈值电压为0.65 V。在此基础上,Lai等12开发了聚对二氯甲苯纳米晶片为基底的全摆幅互补逆变器,该逆变器有良好的频率响应,电学性能受外部形变影响较小,可用于制作智能电子皮肤。分析人体汗液的成分可以有效地监控人体的动态健康,目前其应用的实例较多。早期的汗液传感器是在织物基底上直接构建的,主要用于测试汗液的pH、钠离子浓度和汗液速率13-16。但织物同人体的贴合度不高,易导致检测
21、结果的准确度降低。若将监测设备通过柔性水贴、胶带等工具直接“文”到人体皮肤表面,则有利于提高检测结果的准确度。2017年,Lee等17开发了基于汗液监测血糖浓度的一次性可穿戴监测设备(如图7所示)。将用于反馈透皮治疗的药物装载在2个具有不同温度响应性相变行为的纳米粒子上,将这些纳米粒子嵌入酸性透明质水凝胶微针中,构成反馈透皮给药模块。该模块可以透过图3Cosseddu等9设计的肌肉运动传感器图4Carbonaro等10开发的肌肉运动能力监测系统图5Ferrari等11制备的文身电极图6Lai等12开发的修饰在聚对二氯甲苯纳米晶片上的OFET电路注:Fh处和Ff处安装基于OFET的柔性力学传感器
22、,xa、ya、za坐标轴处安装三轴加速度传感器等电子元件。General Review综述郭恺,唐翠芝,孙博,等.基于有机场效应晶体管的可穿戴柔性监测设备在生物医学领域的研究现状J.医疗卫生装备,2024,45(1):93-100.xayazaFhFf 95 窑医疗卫生装备窑 2024年1月第45卷第1期悦澡蚤灶藻泽藻 酝藻凿蚤糟葬造 耘择怎蚤责皂藻灶贼 允燥怎则灶葬造 窑 灾燥造援 45 窑 晕燥援 1 窑 January 窑 2024防水带与人体皮肤接触,准确测出人体皮肤表面的pH、温度和湿度等实时数据,再通过电化学分析器显示人体内的实时血糖浓度。该设备还涂有相变材料,使其能够根据患者的血
23、糖水平精准地控制药物的释放,为糖尿病患者提供了一种“无创汗液管理”的治疗方案。加州大学圣迭戈分校的Wang课题组报道了一系列丝网印刷的电子文身型汗液传感器18-20。其被印刷在各种超薄的有机硅或聚合物基底上,使传感器能够与皮肤完美贴合,同时可以准确测定汗液中大部分生化物质,如乳酸、钠盐、铵盐、乙醇等的含量,因此很多课题组开始致力于研究智能伤口敷料21-22。早期的智能伤口敷料大多通过监测伤口表面生物医学参数的变化来防止伤口感染。例如,2014年,Guinovart等23构建了一种类似创可贴的伤口pH监测装置,在电化学传感器的工作电极上修饰对pH敏感的聚苯胺膜,使器件在不同pH下表现出不同的电势
24、,继而通过检测伤口处的pH判断伤口的恢复情况;在参比电极上修饰聚乙烯缩丁醛膜,可以使器件在伤口复杂的生理环境中保持稳定的电位。随着智能材料的发展,许多材料不仅可以对磁、热、声、光、电、pH等信号具有特定响应,还能基于信号响应做出药物控释24-31。例如,哈佛医学院的Mostafalu等31推出了一种用于闭环伤口护理的柔性可穿戴电子设备,该设备可以通过实时监测伤口表面pH的变化来分析伤口的感染情况,并通过热控方式定量释放广谱抗生素头孢唑林钠,用于伤口表面的抗菌消炎。同时,这类敷料还可以通过文身传感器与智能手机等终端建立实时通信,帮助医护人员随时监测患者伤口的恢复情况32-34。浙江大学的Pang
25、等32开发了一种被聚二甲基硅氧烷包覆的包含温敏和光敏元件的柔性电子集成伤口敷料(如图8所示)。该敷料被设计成具有创伤塑性形状的双层结构,以实现与伤口部位的保形接触。敷料的上层是柔性电子层,内含电源管理、电路控制模块,蓝牙芯片对称地分布在两侧,中间区域嵌入1个柔性温度传感器和4个紫外线LED;下层是3 mm厚的紫外光响应性聚乙二醇抗菌水凝胶,用于治疗伤口的庆大霉素分子通过共价键与聚乙二醇分子连结。一般细菌感染引起的炎症反应会导致伤口处的体温比正常高12 益,柔性温度传感器可以持续、准确地监测由伤口炎症引起的体温波动,并通过蓝牙将感应信号传递给手机中的智能程序,进而控制365 nm紫外线LED的打
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