彭秋閩，肖紫涵，楊雁冰，袁 荃

(武漢大學(xué)化學(xué)與分子科學(xué)學(xué)院，湖北武漢 430072)

1 前言

柔性可穿戴傳感器是附著于人體皮膚或組織上的監(jiān)測(cè)裝置，可以連續(xù)、密切地監(jiān)測(cè)人體釋放的生理標(biāo)志物和物理化學(xué)信號(hào)[1]。柔性可穿戴傳感器件具有便攜、無(wú)創(chuàng)、生物相容、保形性和可實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)的優(yōu)勢(shì)，在疾病監(jiān)控和診斷等方面具有非常好的應(yīng)用前景[2，3]。開(kāi)發(fā)新型的可穿戴傳感器在疾病診斷、治療和健康監(jiān)測(cè)方面具有重要意義。柔性可穿戴傳感器由柔性支撐基底、傳感元件以及信號(hào)輸出單元三個(gè)基本部分組成[4]。其中，傳感元件對(duì)于柔性可穿戴傳感器的性能發(fā)揮著極其重要的作用。開(kāi)發(fā)可以同時(shí)監(jiān)測(cè)多種信號(hào)的多模態(tài)傳感器，并且與自供電系統(tǒng)、無(wú)線傳輸系統(tǒng)等進(jìn)行集成，有利于促進(jìn)可穿戴傳感器在個(gè)人健康管理和家庭診斷中的應(yīng)用[5]。

納米材料具有高的比表面積，可以有效增加傳感器與靶標(biāo)分子的接觸面積，從而提高傳感器的檢測(cè)靈敏度，因此在柔性可穿戴傳感器中得到了廣泛的應(yīng)用。目前，不同維度的納米材料如零維、一維、二維和三維復(fù)合材料已經(jīng)被用于構(gòu)建柔性傳感器[6]。其中，二維層狀材料具有原子薄層的平面結(jié)構(gòu)、優(yōu)異的機(jī)械柔性和電學(xué)性能，可以提供大量的表面活性位點(diǎn)，表面易于功能化，能夠?qū)μ囟ǚ治鑫镞M(jìn)行高靈敏度的選擇性響應(yīng)，是構(gòu)建柔性可穿戴傳感器的理想材料[7 - 12]。隨著二維材料的不斷發(fā)展，可以通過(guò)摻雜各種納米材料或分子來(lái)創(chuàng)建異質(zhì)結(jié)構(gòu)的復(fù)合材料，進(jìn)一步增加傳感器的傳感性能[13，14]。此外，基于二維材料的柔性可穿戴傳感器更易于與自供電、無(wú)線運(yùn)輸、治療反饋等系統(tǒng)進(jìn)行組裝來(lái)構(gòu)建集成化的監(jiān)測(cè)和治療系統(tǒng)[15,16]。

本綜述首先介紹了基于二維材料的柔性可穿戴傳感器件的最新研究進(jìn)展，對(duì)不同二維材料的特性進(jìn)行了概述。其次，我們對(duì)基于柔性可穿戴傳感器的集成系統(tǒng)進(jìn)行了總結(jié)和分析，包括可以同時(shí)檢測(cè)多種信號(hào)的多模態(tài)集成傳感器，以及與自供電設(shè)備、無(wú)線傳輸系統(tǒng)和治療反饋系統(tǒng)相組裝的傳感器集成系統(tǒng)。在此基礎(chǔ)上，簡(jiǎn)要說(shuō)明了用于監(jiān)測(cè)不同信號(hào)的可穿戴傳感器的工作原理。最后，我們討論了基于二維材料的柔性可穿戴傳感器目前面臨的挑戰(zhàn)和未來(lái)的發(fā)展機(jī)遇，為可穿戴傳感器的研究方向提供指導(dǎo)。

2 二維材料

二維材料是厚度為單個(gè)原子到幾個(gè)原子不等的層狀材料，主要包括：石墨烯[17 - 19]、過(guò)渡金屬硫?qū)倩衔?TMDs)[20 - 22]、二維過(guò)渡金屬碳化物/氮化物(MXene)[23,24]、六方氮化硼(h-BN)[25]和黑磷(BP)[26,27]等。二維材料具有優(yōu)異的機(jī)械柔性、電學(xué)性能、高載流子傳輸特性和光學(xué)透明性，作為傳導(dǎo)元件和支撐基底在柔性可穿戴傳感器中具有廣泛的應(yīng)用[28 - 30]。

2.1 石墨烯

石墨烯由蜂窩狀的碳原子晶格構(gòu)成，具有優(yōu)異的電子傳輸性能、熱傳導(dǎo)性能、機(jī)械性能和生物相容性，是構(gòu)筑柔性可穿戴傳感器的理想材料之一[31 - 34]?；谑┑娜嵝钥纱┐鱾鞲衅饕呀?jīng)被用于檢測(cè)各種物理、化學(xué)和生理參數(shù)，包括壓力、溫度、pH值、細(xì)胞、DNA、蛋白質(zhì)等信號(hào)，已在柔性電子產(chǎn)品和可穿戴設(shè)備中得到廣泛應(yīng)用[35]。

Wan等[36]以還原氧化石墨烯(rGO)為電極，以氧化石墨烯(GO)為電介質(zhì)，構(gòu)建了一種全石墨烯電容式壓力傳感器。當(dāng)施加微小外部壓力時(shí)，上下電極之間的距離減小導(dǎo)致電容增加，從而實(shí)現(xiàn)壓力與電容之間的轉(zhuǎn)換。該傳感器可以快速響應(yīng)低至0.24 Pa的外部壓力，在低壓下可以達(dá)到0.8 kPa-1的壓力靈敏度。單層石墨烯的帶隙為零，這一缺陷限制了石墨烯傳感器的響應(yīng)時(shí)間和光電效率[37]。因此，可以通過(guò)表面工程在石墨烯內(nèi)部引入官能團(tuán)來(lái)對(duì)石墨烯的電學(xué)性能進(jìn)行優(yōu)化，從而擴(kuò)展石墨烯在柔性可穿戴傳感器中的應(yīng)用。Pang等[38]以鎳泡沫為基底，通過(guò)化學(xué)氣相沉積和化學(xué)刻蝕獲得多孔石墨烯網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，并制備了基于多孔石墨烯網(wǎng)絡(luò)的濕度傳感器，用于對(duì)人體呼吸的監(jiān)測(cè)。將多孔石墨烯網(wǎng)絡(luò)浸入銀膠體溶液中進(jìn)行表面改性，制備了多孔石墨烯/銀膠體網(wǎng)絡(luò)，明顯縮短了傳感器的響應(yīng)時(shí)間，提高了檢測(cè)靈敏度。Huang等[39]通過(guò)延長(zhǎng)相分離的過(guò)程制備了聚合物納米球修飾的石墨烯多孔纖維，用于實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)脈搏和眼球運(yùn)動(dòng)。通過(guò)修飾聚合物納米球，該傳感器具有檢測(cè)限低和響應(yīng)時(shí)間短的特點(diǎn)。

隨著材料科學(xué)的迅速發(fā)展，將石墨烯與具有各種形態(tài)和功能的材料結(jié)合形成功能化的復(fù)合材料，可以進(jìn)一步對(duì)石墨烯的電學(xué)性能和機(jī)械性能進(jìn)行優(yōu)化，可用于構(gòu)建高性能的濕度、溫度、壓力等傳感器[35 - 40]。Liu等[41]基于導(dǎo)電纖維素納米晶體/石墨烯復(fù)合材料，成功開(kāi)發(fā)了具有高靈敏度和寬應(yīng)變檢測(cè)范圍的可穿戴應(yīng)變傳感器。該應(yīng)變傳感器具有超疏水表面，對(duì)水、酸和堿具有極強(qiáng)的抗腐蝕能力，可以延長(zhǎng)傳感器在潮濕和腐蝕性環(huán)境下的工作壽命。Li等[42]在石墨烯片層中填充含呋喃基的線性聚氨酯，制備了具有抗拉伸性能的石墨烯/聚氨酯復(fù)合材料，并基于該材料構(gòu)建了具有自修復(fù)性能的柔性應(yīng)變傳感器。Liu等[43]制備了由聚二甲基硅氧烷(PDMS)彈性體填充的石墨烯應(yīng)變傳感器，該傳感器具有寬監(jiān)測(cè)范圍和優(yōu)異的線性相關(guān)度，可靈敏地監(jiān)測(cè)人體手指運(yùn)動(dòng)和頸部運(yùn)動(dòng)等。Ho等[44]通過(guò)簡(jiǎn)單的層壓過(guò)程將溫度、濕度和壓力傳感器進(jìn)行集成，構(gòu)建了一種柔性且透明的全石墨烯電子皮膚傳感器陣列。如圖1所示，GO和rGO分別用于濕度和溫度傳感器的電極材料，PDMS基底用于電容式壓力和應(yīng)變傳感器的彈性中間層。這些傳感器可同時(shí)、獨(dú)立且高靈敏地檢測(cè)外部溫度、濕度和壓力分布。

2.2 過(guò)渡金屬硫?qū)倩衔?TMDs)

TMDs是指過(guò)渡金屬與硫?qū)僭有纬傻幕衔?，化學(xué)式通常表示為MX2，其中M表示過(guò)渡金屬，X表示硫?qū)僭樱渲袘?yīng)用較為廣泛的有二硫化鉬(MoS2)、二硫化釩(VS2)、二硫化鎢(WS2)、二硒化鎢(WSe2)等。TMDs具有大于1 eV的寬帶隙，電學(xué)性能優(yōu)異，是可穿戴傳感器中常用的一類二維材料[45 - 47]。

原子薄層MoS2納米片具有優(yōu)異的柔性、生物相容性和電學(xué)性能，是TMDs中最具有發(fā)展前景的材料，在物理、化學(xué)和生物傳感器領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用[37,48 - 53]。Chen等[54]制備了可植入式MoS2多功能傳感器，可以對(duì)小鼠腦顱中的壓力、溫度等參數(shù)進(jìn)行監(jiān)測(cè)。此外，該傳感器具有生物可降解的特性，可以在幾個(gè)月內(nèi)完全降解，避免了在生物醫(yī)學(xué)應(yīng)用中的副作用。Park等[55]研究出以有源矩陣為基底的大面積MoS2觸覺(jué)傳感器。如圖2所示，該傳感器可以監(jiān)測(cè)1～120 kPa的壓力值，遠(yuǎn)優(yōu)于人類皮膚的感應(yīng)范圍。此外，該傳感器具有多點(diǎn)高靈敏檢測(cè)的優(yōu)點(diǎn)，可以通過(guò)對(duì)不同位置外部壓力的同時(shí)監(jiān)測(cè)，準(zhǔn)確識(shí)別人手抓握物體的形狀。

圖1 全石墨烯電子皮膚傳感器[44]Fig.1 All-graphene electronic-skinsensor[44] Adapted with permission from Ref.44,copyright 2016 John Wiley and Sons Publisher.

圖2 有源矩陣型MoS2觸覺(jué)傳感器[55]Fig.2 Active-matrix MoS2-based tactile sensor[55] Adapted with permission from Ref.55,copyright 2019 American Chemical Society publisher.

基于TMDs的復(fù)合材料作為基底可以提高柔性可穿戴傳感器的量子產(chǎn)率，進(jìn)而對(duì)傳感器的選擇性和靈敏度進(jìn)行優(yōu)化[51]。Park等[50]通過(guò)激光束退火在MoS2層上選擇性地合成了WS2層，并基于WS2/MoS2異質(zhì)結(jié)材料構(gòu)建了可用于穩(wěn)定監(jiān)測(cè)人體腕部運(yùn)動(dòng)的應(yīng)變傳感器。Zhang等[56]將MoS2納米片組裝到多孔VS2骨架中，制備了具有高靈敏度和高穩(wěn)定性的MoS2/VS2化學(xué)傳感器，可用于高選擇性地監(jiān)測(cè)環(huán)境中的氨氣。Lee等[57]基于MoS2/石墨烯異質(zhì)結(jié)構(gòu)，構(gòu)建了具有高靈敏度的應(yīng)變傳感器。該傳感器具有高達(dá)5.8×105的應(yīng)變系數(shù)，是傳統(tǒng)應(yīng)變傳感器的140倍。

2.3 過(guò)渡金屬碳化物/氮化物(MXene)

MXene二維材料的通式為Mn+1Xn或Mn+1XnTx(n=1～3)，其中M表示早期過(guò)渡金屬例如Ti、Zr、V、Nb或Mo等，X表示C或N，Tx表示-OH、-O、-F等表面官能團(tuán)。MXene具有優(yōu)異的導(dǎo)電性、化學(xué)穩(wěn)定性、機(jī)械柔性和親水性，可以通過(guò)適當(dāng)?shù)谋砻嫘揎椇凸δ芑瘜?duì)MXene的電學(xué)和光學(xué)性能進(jìn)一步優(yōu)化，擴(kuò)展MXene在柔性可穿戴傳感器件中的應(yīng)用范圍[24,58]。

在已發(fā)現(xiàn)的數(shù)十種MXene中，基于Ti3C2的可穿戴傳感器在物理、化學(xué)和生物監(jiān)測(cè)方面得到了廣泛的研究。Driscoll等[59]開(kāi)發(fā)了基于Ti3C2的電極陣列，并基于此陣列構(gòu)建了可用于監(jiān)測(cè)神經(jīng)信號(hào)的高分辨?zhèn)鞲衅?。該傳感器具有高靈敏度和生物相容性，可記錄大腦皮層表面和深部區(qū)域的神經(jīng)信號(hào)。Ren等[60]基于Ti3C2/鈣鈦礦/Ti3C2構(gòu)建了大規(guī)模的圖像傳感器陣列。由于Ti3C2和鈣鈦礦之間具有相互增強(qiáng)的能級(jí)排列和近紅外共振特征，該傳感器對(duì)不同波長(zhǎng)的光照具有高響應(yīng)度、高靈敏度和寬響應(yīng)范圍。Wang等[61]將Ti3C2與天然微膠囊相結(jié)合，構(gòu)建了可用于檢測(cè)人體脈搏和手指運(yùn)動(dòng)的仿生壓力傳感器。該傳感器具有高達(dá)24.63 kPa-1的壓力靈敏度，低至14 ms的響應(yīng)速度和優(yōu)異的穩(wěn)定性。

MXene還可以與其他功能材料進(jìn)行復(fù)合，充分利用材料之間的協(xié)同優(yōu)勢(shì)，開(kāi)發(fā)高性能的柔性可穿戴傳感器[62 - 68]。Li等[69]基于MXene/石墨烯雜化纖維構(gòu)建了具有優(yōu)異機(jī)械性能和電學(xué)性能的柔性可穿戴氣體傳感器，可對(duì)化學(xué)工業(yè)中的氨氣進(jìn)行實(shí)時(shí)定量監(jiān)測(cè)。該傳感器中，具有優(yōu)異電學(xué)性能的MXene與具備良好氣體吸附能力的石墨烯相互協(xié)同，可以實(shí)現(xiàn)室溫下氨氣的高靈敏檢測(cè)。Lei等[70]基于MXene/普魯士藍(lán)復(fù)合材料構(gòu)建了一種多功能柔性生物傳感器，用于高靈敏地監(jiān)測(cè)汗液中的葡萄糖和乳酸等生物標(biāo)志物。Chao等[71]將MXene和聚苯胺纖維(PANIF)層分散在彈性橡膠基底上，制備了具有疊層結(jié)構(gòu)的可穿戴MXene/PANIF應(yīng)變傳感器。如圖3所示，該傳感器可以附著在皮膚上監(jiān)測(cè)人體的呼吸、脈搏和指關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)，具有高應(yīng)變感測(cè)范圍、超低檢測(cè)限、高靈敏度和優(yōu)異的循環(huán)穩(wěn)定性。

圖3 MXene/PANIF應(yīng)變傳感器[71]Fig.3 MXene/PANIF strain sensor[71]Adapted with permission from Ref.71,copyright 2020 Elsevier publisher.

2.4 其他二維材料

黑磷(BP)、六方氮化硼(h-BN)等二維材料也已經(jīng)被應(yīng)用在柔性可穿戴傳感器中[72 - 75]。BP制造工藝簡(jiǎn)單，具有較大的比表面積、優(yōu)異的電學(xué)性能和較高的載流子遷移率[76]。然而，BP受限于自身的不穩(wěn)定性，容易被環(huán)境中的氧化劑氧化，需要提高BP在傳感器中的穩(wěn)定性。引入鈍化層是目前提高BP傳感器穩(wěn)定性的常用方法。但是，鈍化層的存在會(huì)降低傳感的靈敏度，限制了BP在高性能傳感器中的應(yīng)用[77,78]。此外，BP的細(xì)胞毒性和生物相容性仍有爭(zhēng)議，導(dǎo)致BP在柔性可穿戴傳感器中的應(yīng)用受限。Chen等[79]使用機(jī)械剝離法制備了BP納米片，并且將抗體分子、金納米顆粒與BP納米片結(jié)合，構(gòu)建了用于高靈敏和高選擇性監(jiān)測(cè)人體免疫球蛋白的BP生物傳感器。

h-BN具有優(yōu)異的生物相容性、高比表面積和光電轉(zhuǎn)換效率，是可穿戴傳感器的候選材料之一[80]。Fabio等[81]基于h-BN/石墨烯異質(zhì)結(jié)構(gòu)建了用于定量監(jiān)測(cè)NO、NO2氣體分子的柔性傳感器，具有良好的選擇性和靈敏度。

3 基于二維材料的集成傳感器件

人體在受到刺激時(shí)既能產(chǎn)生物理信號(hào)，也能產(chǎn)生化學(xué)和生物信號(hào)。因此，將物理、化學(xué)和生物傳感器進(jìn)行集成，構(gòu)建具有多模態(tài)的柔性傳感器在個(gè)人的健康監(jiān)測(cè)中至關(guān)重要。除此以外，將傳感器與自供電、無(wú)線傳輸、治療反饋等系統(tǒng)進(jìn)行集成，進(jìn)一步擴(kuò)展了可穿戴傳感器的實(shí)際應(yīng)用范圍。

3.1 多模態(tài)傳感

生物系統(tǒng)中的微環(huán)境復(fù)雜，受刺激會(huì)產(chǎn)生多種生理信號(hào)變化，并且待測(cè)信號(hào)之間會(huì)產(chǎn)生相互影響，這對(duì)傳感器的準(zhǔn)確度提出了極高要求。多模態(tài)傳感可以同時(shí)監(jiān)測(cè)多種參數(shù)，提供足夠的關(guān)聯(lián)信息從而提高監(jiān)測(cè)的準(zhǔn)確度，減少信號(hào)之間的相互作用對(duì)監(jiān)測(cè)結(jié)果引起的干擾。Bandodkar等[82]將一次性微流體器件與嵌入式比色試劑集成，設(shè)計(jì)了電化學(xué)法與比色法結(jié)合的可穿戴汗液傳感器集成器件。該傳感器件可以直接固定在人體皮膚上，實(shí)現(xiàn)pH、乳酸、葡萄糖和氯化物的同時(shí)監(jiān)測(cè)。兩種檢測(cè)方法集成的器件可通過(guò)電化學(xué)法來(lái)進(jìn)行定量檢測(cè)，同時(shí)借助肉眼通過(guò)比色法來(lái)對(duì)檢測(cè)結(jié)果進(jìn)行進(jìn)一步核驗(yàn)，提高了檢測(cè)結(jié)果的準(zhǔn)確度。Park等[83]基于PDMS/聚吡咯/石墨烯復(fù)合材料構(gòu)建了可同時(shí)監(jiān)測(cè)壓力和溫度的多模態(tài)傳感器，該傳感器具有2.01 kPa-1的高靈敏度、18 Pa的低檢測(cè)限和20 ms的快速響應(yīng)時(shí)間。Yang等[84]通過(guò)激光雕刻技術(shù)制備了可動(dòng)態(tài)采樣的汗液傳感器。如圖4所示，該傳感器可同時(shí)監(jiān)測(cè)溫度、呼吸頻率、尿酸和酪氨酸等與代謝性疾病相關(guān)的參數(shù)，具有高靈敏度和低檢測(cè)限。

3.2 可穿戴自供電設(shè)備

可穿戴器件中，傳統(tǒng)的電源系統(tǒng)體積較大并且電量有限，很難在可穿戴設(shè)備中實(shí)現(xiàn)持久穩(wěn)定的供電[85 - 88]。因此，開(kāi)發(fā)具有能源裝置的自供電集成傳感器能維持長(zhǎng)期的監(jiān)測(cè)性能，在運(yùn)動(dòng)和疾病的監(jiān)測(cè)中具有更加長(zhǎng)效、方便和實(shí)用的意義。You等[89]報(bào)道了一種包含多模態(tài)傳感器和乳酸生物燃料電池的集成電子皮膚。該電子皮膚完全由汗液驅(qū)動(dòng)，利用未經(jīng)處理的人體汗液可以提供高達(dá)3.5 mW/cm2的功率密度，實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)期監(jiān)測(cè)尿素、葡萄糖、pH值和溫度等關(guān)鍵生理參數(shù)的目標(biāo)。Polat等[90]基于有機(jī)光伏電池構(gòu)建了自然光供電的生物傳感器，用于監(jiān)測(cè)人體的心率參數(shù)。該傳感器中的光伏電池具有高達(dá)10.5%的光電轉(zhuǎn)換效率，可以為傳感器提供穩(wěn)定的電能。Lee等[91]基于摩擦電納米發(fā)電機(jī)(TENG)構(gòu)建了一種超薄網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)的可拉伸壓力傳感器。該傳感器在拉伸狀態(tài)下具有優(yōu)異的機(jī)械性能和穩(wěn)定的電學(xué)性能。如圖5所示，該TENG采用單電極結(jié)構(gòu)，由石墨烯電極、PDMS帶電層和聚對(duì)苯二甲酸乙二醇酯基底組成，通過(guò)摩擦帶電和靜電感應(yīng)的耦合作用實(shí)現(xiàn)傳感器的高效供電。

圖4 多模態(tài)汗液傳感器[84]Fig.4 Multimodal sweat sensor[84]Adapted with permission from Ref.84,copyright 2019 Springer Nature publisher.

圖5 自供電TENG觸摸傳感器[91]Fig.5 Self-powered TENG touch sensor[91]Adapted with permission from Ref.91,copyright 2019 Elsevier publisher.

3.3 無(wú)線傳輸系統(tǒng)

傳統(tǒng)的生物傳感器電子設(shè)備通常是植入組織或安裝在人體表面，其外部電源、相關(guān)電路、傳感元件和數(shù)據(jù)處理單元之間的有線連接會(huì)增加設(shè)備重量，影響傳感組件與生物組織之間的密切接觸[92]。因此，將無(wú)線傳感系統(tǒng)與傳感器進(jìn)行集成，可以促進(jìn)柔性可穿戴和可植入傳感器的發(fā)展。

Chung等[93]構(gòu)建了一種可同時(shí)監(jiān)測(cè)人體皮膚溫度、心率、呼吸率等生命體征的無(wú)線皮膚傳感集成器件。以心率的監(jiān)測(cè)為例，該器件采用金屬電極進(jìn)行信號(hào)監(jiān)測(cè)，隨后基于高效算法將測(cè)得的數(shù)據(jù)進(jìn)行信號(hào)處理和實(shí)時(shí)分析，利用射頻電路進(jìn)行數(shù)據(jù)的高效無(wú)線傳輸，最后采用醫(yī)學(xué)成像技術(shù)實(shí)時(shí)獲取人體心電圖的磁共振成像和X射線成像圖譜。

圖6 無(wú)線監(jiān)測(cè)生物傳感器[95]Fig.6 Wireless monitoring biosensors[95]Adapted with permission from Ref.95,copyright 2017 Springer Nature publisher.

Sahatiya等[94]報(bào)道了基于石墨烯/MoS2的應(yīng)變傳感器，用于監(jiān)控人體的手指運(yùn)動(dòng)。該傳感器可以通過(guò)集成的藍(lán)牙設(shè)備獲取數(shù)據(jù)并將數(shù)據(jù)傳輸?shù)街悄苁謾C(jī)中，從而實(shí)現(xiàn)人體運(yùn)動(dòng)的實(shí)時(shí)監(jiān)控。

Kim等[95]將葡萄糖傳感器與眼內(nèi)壓傳感器集成，設(shè)計(jì)了一種柔性可穿戴隱形眼鏡，用于無(wú)線監(jiān)測(cè)淚液中的葡萄糖濃度和眼壓參數(shù)。如圖6所示，石墨烯和銀納米線設(shè)計(jì)的隱形眼鏡具有高透明性和可拉伸性。石墨烯與不同濃度的葡萄糖結(jié)合之后，傳感器的電阻率會(huì)產(chǎn)生不同的變化，可以實(shí)現(xiàn)葡萄糖的高靈敏檢測(cè)。之后，通過(guò)數(shù)據(jù)處理模塊和無(wú)線通信技術(shù)對(duì)葡萄糖濃度數(shù)據(jù)進(jìn)行無(wú)線動(dòng)態(tài)檢測(cè)。

3.4 治療反饋系統(tǒng)

治療反饋系統(tǒng)與傳感器結(jié)合可以為慢性疾病的個(gè)人監(jiān)測(cè)和家庭治療提供及時(shí)、方便、有效的解決方案。因此，醫(yī)療和保健領(lǐng)域的前沿發(fā)展方向是開(kāi)發(fā)能夠持續(xù)監(jiān)測(cè)關(guān)鍵生理參數(shù)、存儲(chǔ)數(shù)據(jù)并提供治療反饋方案的集成傳感器件[96]。此類集成傳感器件可以將收集到的信息及時(shí)處理，并將數(shù)據(jù)傳輸?shù)郊膊≈委熃M件，從而實(shí)現(xiàn)智能調(diào)控藥物的釋放和輸送。

Lee等[97]基于石墨烯傳感器陣列構(gòu)建了一種能夠同時(shí)監(jiān)測(cè)汗液中的葡萄糖濃度、溫度、濕度和pH值的智能貼片。除傳感器外，貼片中還包含可拉伸加熱器、熱響應(yīng)納米顆粒和包覆藥物的水凝膠微針。當(dāng)血液中的葡萄糖濃度超過(guò)某一水平時(shí)，加熱器自發(fā)啟動(dòng)溶解水凝膠外殼，促進(jìn)藥物釋放至血液中，實(shí)現(xiàn)治療糖尿病的目的。Pooria等[98]構(gòu)建了一種智能柔性繃帶，用于監(jiān)測(cè)和治療慢性傷口。如圖7所示，繃帶由傳感器、藥物響應(yīng)系統(tǒng)、電子模塊和無(wú)線傳輸系統(tǒng)組成。傳感器包括溫度和pH傳感器，可以實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)傷口狀態(tài)。藥物響應(yīng)系統(tǒng)包括熱響應(yīng)性藥物載體和柔性加熱器，可以自發(fā)釋放系統(tǒng)中的抗生素來(lái)治療傷口。電子模塊可以處理由傳感器測(cè)量的數(shù)據(jù)，并對(duì)個(gè)體化治療的藥物釋放方案進(jìn)行編程，控制繃帶在特定情況下定量釋放藥物。

圖7 自動(dòng)化反饋治療傳感器[98]Fig.7 Automatic feedback therapy sensor[98]Adapted with permission from Ref.98,copyright 2018 John Wiley and Sons publisher.

4 問(wèn)題和挑戰(zhàn)

目前，基于二維材料的集成傳感器件在傳感、自供電、無(wú)線傳輸、治療反饋等方面已經(jīng)有廣泛應(yīng)用，在生理參數(shù)和疾病標(biāo)志物檢測(cè)以及自動(dòng)化治療上有著一定的發(fā)展，但仍然面臨著一些挑戰(zhàn)。

在材料合成方面，開(kāi)發(fā)大規(guī)模且高效的二維材料制備方法是構(gòu)建高靈敏度和高穩(wěn)定性傳感器的必要條件，但是目前所發(fā)展的方法很難大面積制備二維材料。此外，二維材料的合成過(guò)程中通常需要基底轉(zhuǎn)移步驟，而現(xiàn)有的轉(zhuǎn)移方法會(huì)導(dǎo)致材料出現(xiàn)褶皺或缺陷，對(duì)傳感器的性能產(chǎn)生嚴(yán)重的不良影響[99]。在傳感器制備上，雖然二維材料自身具有優(yōu)異的電學(xué)和機(jī)械性能，在表面修飾或者摻雜制備成傳感器后，會(huì)降低電學(xué)和機(jī)械性能。因此，需要進(jìn)一步優(yōu)化制備條件，從而提高傳感器的選擇性、靈敏度和穩(wěn)定性。

在傳感器集成方面，如何將各個(gè)系統(tǒng)緊密組合，構(gòu)建具有高性能的傳感器集成系統(tǒng)，并且實(shí)現(xiàn)更廣范圍的應(yīng)用仍然是一個(gè)挑戰(zhàn)。目前，使用光刻和印刷等方法構(gòu)建大面積集成系統(tǒng)存在操作繁瑣、精密度不高等缺點(diǎn)，有待進(jìn)一步改進(jìn)[100]。柔性可穿戴生物傳感器需要具有重量輕、透明、電池壽命長(zhǎng)和精密度高等特點(diǎn)才能擴(kuò)展其在實(shí)際傳感中的應(yīng)用，這對(duì)傳感器的集成技術(shù)提出了更高的要求。此外，傳感器件要求對(duì)大量數(shù)據(jù)進(jìn)行分析反饋，然而其實(shí)際存儲(chǔ)空間有限。目前，具有治療反饋系統(tǒng)的傳感器件通常存在載藥量低的問(wèn)題，限制了疾病治療的效果。

5 結(jié)論與展望

近年來(lái)，納米材料制造技術(shù)、表面工程、器件設(shè)計(jì)和集成技術(shù)的進(jìn)步促進(jìn)了柔性可穿戴傳感器的發(fā)展[76]。二維納米材料具有原子薄層的平面結(jié)構(gòu)、優(yōu)異的機(jī)械柔性和電學(xué)性能等特征，在柔性可穿戴傳感器中具有廣泛的應(yīng)用。本文從二維納米材料和集成器件角度對(duì)基于二維材料構(gòu)建柔性可穿戴傳感器的最新進(jìn)展進(jìn)行了總結(jié)，概括了基于二維材料的傳感器在物理、化學(xué)和生物信號(hào)檢測(cè)方面的應(yīng)用，詳細(xì)介紹了包括多模態(tài)傳感、自供電設(shè)備、無(wú)線傳輸系統(tǒng)和治療反饋系統(tǒng)的二維材料集成器件，提供了材料選擇、傳感器構(gòu)建和應(yīng)用等方面的信息。

在柔性可穿戴傳感器用于疾病診斷的實(shí)際應(yīng)用中，具有大面積數(shù)據(jù)采集、自供電功能、無(wú)線數(shù)據(jù)傳輸和治療反饋等優(yōu)異功能的集成傳感器件可以同時(shí)監(jiān)測(cè)多種運(yùn)動(dòng)和疾病標(biāo)志物，在醫(yī)療保健領(lǐng)域具有很好的發(fā)展前景[101]。傳感器的制備方面，未來(lái)研究方向之一是提高轉(zhuǎn)移技術(shù)的可擴(kuò)展性和均勻性，或設(shè)計(jì)出能直接在柔性基底上合成二維材料的方法。更重要的是，優(yōu)化材料制備和改性技術(shù)可以獲得大面積、高質(zhì)量且均勻的傳感器陣列，從而提升可穿戴傳感器的靈活性、可延伸性、生物相容性、抗污防菌性以及傳感性能，包括靈敏度、響應(yīng)速度、穩(wěn)定性、抗干擾能力等。集成器件的構(gòu)建方面，多模態(tài)傳感、自供電、無(wú)線傳感和治療反饋系統(tǒng)相集成，可以通過(guò)簡(jiǎn)單和低成本的方法制造具有精密布局和簡(jiǎn)便制造工藝的高性能集成傳感器件。此類集成傳感器件具有長(zhǎng)壽命的電池、實(shí)時(shí)的數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)和高效的反饋治療系統(tǒng)，可以將數(shù)據(jù)連續(xù)地傳輸?shù)皆拼鎯?chǔ)系統(tǒng)中，并且確保在傳輸數(shù)據(jù)時(shí)不會(huì)丟失關(guān)鍵數(shù)據(jù)，能夠高精度地應(yīng)用于個(gè)人健康管理和家庭診斷治療等方面。