2024.09.27. 韩国材料科学研究所团队在《Biomaterials》(IF=12.8)上发表综述 “Advances in Wearable Electronics for Monitoring Human Organs: Bridging External and Internal Health Assessments”.
传统疾病诊断设备存在体积大、昂贵且需专业人员操作等问题，可穿戴设备因小巧、价廉且易用被视为新的解决方案。本综述将人体器官分为外部（眼、口腔、颈部、皮肤）和内部（心、脑、肺、胃、膀胱等）器官系统，介绍了可穿戴电子设备在各器官系统中的材料和设计进展，并探讨了其在监测深层内部器官方面的创新以及面临的挑战和未来方向。
眼睛
眼动监测：包括眼球运动和眼睑运动监测。眼球运动监测常用眼电描记法（EOG），传统基于湿电极的测量设备有诸多缺点，新进展包括采用干电极及各种新材料和设计的电极，如软多功能电子皮肤、基于 2D 材料的电极等，还开发了与可穿戴平台集成的系统。眼睑运动监测可通过感应传感、摩擦电传感器、压电薄膜传感器和微机电系统（MEMS）超声换能器等实现。
泪液传感：泪液是一种富含生物标志物的非侵入性生物流体。用于泪液传感的可穿戴设备进展包括以葡萄糖为主要监测目标的智能隐形眼镜，还有用于监测其他生物标志物（如皮质醇等）的隐形眼镜或集成在眼镜鼻托垫的系统。最新进展注重提高生物相容性和长期佩戴性。
眼压（IOP）传感：IOP 传感对青光眼监测至关重要。可穿戴设备包括基于接触镜的应变传感器，如采用石墨烯纳米壁或具有抗干扰能力的接触镜应变传感器，还有无线、无源传感器嵌入的接触镜以及集成了 IOP 传感和药物输送的智能治疗性接触镜。
口腔：口腔可提供多种生物物理和生化信息，唾液可用于疾病诊断。进展包括用于婴儿唾液生物标志物监测的基于奶嘴的设备，还有用于监测钠摄入量的无线、可拉伸口腔内电子系统以及安装在牙齿上用于区分食物的传感器。此外，还有用于监测牙齿 pH 值的传感器和用于龋齿管理的可穿戴口腔内治疗性牙科贴片，以及用于监测牙种植体新骨生长的植入式电容传感器。同时，还研究了口腔内舌头运动控制电子设备。
基于电阻抗的可穿戴电子设备，用于伤口监测
皮肤：
伤口监测：介绍了化学标志物监测和电阻抗监测两种方法。化学标志物监测包括多种用于检测炎症、细胞浸润、细胞增殖和细胞外基质等相关标志物的传感器，采用了如金电极、石墨烯、水凝胶和 DNA 等多种材料。电阻抗监测设备则使用了铜电极、钼电极和水凝胶电极等，还开发了结合电阻抗监测和电刺激治疗的闭环智能绷带。
皮肤溃疡：可穿戴设备包括基于银纳米线的用于监测褥疮的设备、3D 压力传感器以及采用天然材料的压力传感器等，旨在实现对皮肤溃疡的预防和监测。 汗液传感：汗液可用于监测身体状态，但存在静止时汗液分泌量少等挑战。进展包括可测量少量汗液的传感器以及用于监测汗液率的可穿戴带，还有用于检测汗液中激素的基于 DNA 适配体的传感器和用于多重汗液分析的纺织传感器贴片。
2. 监测内部器官系统
循环系统器官：心脏是循环系统的核心，监测心脏活动的传统方法是心电图（ECG），新进展包括采用液态金属电极和石墨烯电极等提高信号质量的措施。 中枢神经系统器官：大脑是中枢神经系统的关键器官，脑电图（EEG）是监测大脑活动的常用方法，但颅骨限制了信号采集。新进展包括开发用于连续监测大脑活动的入耳式集成传感器阵列。
呼吸系统器官：开发了一种基于口罩的传感器，通过涂覆在口罩织物上的材料吸附氧气产生压电效应来监测氧气浓度。
消化系统器官：通过测量腹部特定区域的阻抗，利用可穿戴胃部监测服来重建胃的电导率分布，从而可视化胃体积。
泌尿系统器官：包括肾脏和膀胱，介绍了采用电阻抗断层成像（EIT）技术监测膀胱体积的方法，以及用于检测尿液中葡萄糖和尿酸等生物标志物的可穿戴尿液传感系统和用于选择性监测尿酸和酪氨酸的尿液传感器。
3. 从微创设备到可穿戴设备的发展：外部诊断内部器官存在信号混合等困难，微创设备虽需小手术但能提供更全面信息。可穿戴设备利用超声、电阻抗断层成像和时间干扰电场等技术为未来替代微创传感器提供可能，如用于心脏监测的可穿戴超声设备和用于神经监测的各种新技术设备。
材料方面：生物相容性是关键，需采用柔性、可拉伸材料或软封装膜，同时改进传感器与皮肤的附着方法。
设计方面：要实现小型化、无线通信和可持续电源，以满足长期连续健康监测的需求。
功能方面：应具备多功能，集成多种传感模式，并结合机器学习提高实时健康评估的准确性。
实验模型方面：多数可穿戴电子设备处于概念验证阶段，需进行大量临床研究，优先开展长期体内测试和人体试验
https://doi.org/10.1016/j.biomaterials.2024.122865
欢迎投稿最新科研成果，对于具有创新性和转化价值的研究成果，我们期待以访谈形式报道。
本公众号免费为科研机构及课题组发布招聘信息，请添加下方微信发送招聘文档。
欢迎添加下方微信备注研究方向加入超声交流群！
