柔性智能医疗保健平台，用于气体和压力传感
文摘
2024-10-30 10:00
上海
以智能化为特征的可穿戴电子设备在远程医疗和人机交互(HMI)领域一直表现出惊人的潜力。这一巨大潜力源于传感和人工智能技术的突破性进展。可穿戴传感器的一个重要应用是为哮喘、糖尿病和帕金森氏症等慢性疾病的非侵入性、连续和实时监测提供高效、技术先进的手段。具体来说，通过对人体汗液、脉搏和呼吸行为进行现场分析，可穿戴传感器可协助建立个人健康评估电子数据库。然而，评估哮喘发作的早期预警信号以及追踪人机交互的协调性是一项艰巨的任务，这就为现有传感器制定了严格的性能标准。这些传感设备还要求具有出色的灵活性、弹性和复原力，以适应较大的变形。此外，多反应柔性电子器件的出现无疑决定了人机交互的巨大潜力，标志着一个由真实、丰富的交互体验驱动的革命性时代的到来。因此，开发和突破以增强感知能力为特征的多功能设备变得至关重要。这些设备能够处理和提炼复杂的信息，对于便携式健康监测和临床诊断具有重要价值。人体皮肤是皮肤系统中最广阔的器官，它可以与外部感受器进行互动，并将各种外部刺激传递给外部感受器，从而根据机械刺激的性质诱发各种生物电位脉冲。从皮肤先进的结构属性和信号处理能力中汲取灵感，可为设计个体仿生设备提供一个富有远见的模型。由于皮肤通常通过高度紧凑、并行和可靠的工作模式来编码信息，因此它为简化人类与机器之间的交互渠道提供了蓝图。事实上，表皮是皮肤的最外层，由具有交错和连锁结构的微球组成。借鉴皮肤独特的三维(3D)拓扑互连结构，科学家们精心设计了一系列具有三维交错分层结构的电子皮肤(e-skin)。其中包括微金字塔、微球和海胆状微胶囊等组件，旨在增强对特定刺激的感知。一方面，e-skin 具有令人印象深刻的弹性模量，因此能够支持广泛的压缩变形分布。此外，e-skin 元件的紧密接触球形顶端提供了出色的机电传导能力和强大的机械弹性。这些独特的属性不仅能集中和放大局部应力，还能提高灵敏度，即使在宽工作窗口中也是如此。目前，大多数具有互连结构的人工电子皮肤主要侧重于同时感知压力、应变和温度变化。与此同时，其他重要的气体环境和生理参数，如有害气体和异常呼吸模式，作为评估人体健康状况的重要指标，通常会被忽视。例如，二氧化氮会诱发和加重哮喘病。事实上将识别气体和压力的传感器同步集成，可以开发出更精确、更复杂的方法，用于查痕量有害气体分子和检测表明早期疾病的身体震颤。特别是，电子皮肤独特的三维交错分层结构布局在促进气体吸附和扩散方面极具优势。它有望高效、迅速地将气体刺激转化为电脉冲然而，目前大多数电子皮肤模型在响应气体或压力刺激时表现出相似甚至相同的电阻转换机制。这种相似性往往会导致混合电输出，或导致严重的信号干扰或串扰。因此，亟需开发一种独立的多功能传感器，能够提供无干扰的响应信号，并通过简化和有效的流程对刺激进行高精度识别。不断涌现的柔性智能电子产品极大地促进了远程医疗保健中对生理信息的无创和及时追踪。精心构建仿生敏感分子对于设计具有高级认知功能的高效电子皮肤以多元化捕捉外部刺激至关重要。然而，在皮肤的三维交错分层结构和同步编码多刺激信息能力两方面的逼真模拟仍然是简化柔性逻辑电路设计的一项具有挑战性的重要需求。在此，吉林大学徐琳&高丽大学Jong Seung Kim教授通过在中空球形Ti3C2Tx 表面原位生长 Cu3(HHTP)2 颗粒来构建人工表皮装置，旨在同时模拟皮肤表皮的棘层和颗粒层。仿生 Ti3C2Tx@ Cu3(HHTP)2 具有独立的二氧化氮和压力响应，以及声学特征感知和摩斯密码加密信息通信等新功能。最终，通过将双模传感器集成到柔性印刷电路中自主开发出了带有移动应用终端的可穿戴报警系统。该系统可评估与哮喘有关的危险因素如外部二氧化氮气体刺激、异常呼气行为和手指用力程度，在机器学习算法的辅助下，识别准确率达到 97.6%。该工作为开发智能化多功能医疗设备提供了可行的方法，从而促进远程医疗诊断的蓬勃发展。相关研究以“A Flexible Smart Healthcare Platform Conjugated with Artificial Epidermis Assembled by Three‑Dimensionally Conductive MOF Network for Gas and Pressure Sensing”为题发表在Nano-micro Letters期刊上。1. 一种集成了人工表皮装置的智能可穿戴报警系统，用于多元识别哮喘发作风险因素，在机器学习算法的辅助下，分类准确率达到 97.6%。2. 通过将导电 Cu3(HHTP)2与球形Ti3C2Tx结合在一起，对皮肤的高级结构属性和编码信息能力进行了细致的模仿，设计出了一种新型人工表皮装置。3. 生物启发的 Ti3C2Tx@ Cu3(HHTP)2 传感器可独立感知 NO2 气体和压力触发的刺激。Fig. 1 Conceptual design of this study.Fig. 2 a Schematic illustration of the synthetic process of the Ti3C2Tx foam, Cu3(HHTP)2 particles and Ti3C2Tx@Cu3(HHTP)2 composite; b SEM and c TEM images of the PMMA@Ti3C2Tx spheres, respectively; d SEM and e TEM images of the hollow Ti3C2Tx foam; f SEM and g TEM images of Cu3(HHTP)2 particles; and h SEM, i TEM, j HRTEM images and k EDX mapping images of the Ti3C2Tx@Cu3(HHTP)2 compositeFig. 3 a XRD patterns, b FTIR, and c TGA profiles of the Ti3C2Tx foam, Cu3(HHTP)2 particles and Ti3C2Tx@Cu3(HHTP)2 composite; d N2adsorption–desorption isotherms and e BET surface area the Ti3C2Tx foam (S1), Cu3(HHTP)2 particles (S2) and Ti3C2Tx@Cu3(HHTP)2 composite (S3); and the XPS profile of f Ti 2p, g C 1s, h O 1s, i Cu 2p orbits in Ti3C2Tx foam, Cu3(HHTP)2 particles and Ti3C2Tx@Cu3(HHTP)2compositeFig. 4 The dynamic response of various sensors to low (a, 1–60 ppm) and high (b, 80–200 ppm) concentration ranges of nitrogen dioxide (NO2) gas at RT, including the Ti3C2Tx, Cu3(HHTP)2, and Ti3C2Tx@Cu3(HHTP)2 sensors, respectively; c The relationship of the Cu3(HHTP)2 and Ti3C2Tx@Cu3(HHTP)2 sensors to 1–200 ppm of the NO2 gas; d The response time and e the selectivity of three sensors to 100 ppm of various VOCs, S1-S3 represent Ti3C2Tx, Cu3(HHTP)2, and Ti3C2Tx@Cu3(HHTP)2 sensors, respectively; G1-G8 is NO2, NH3, H2S, CH3OCH3, C6H7, HCHO, CH3OH, C2H5OH gas, respectively; f Dynamic response tests of the Ti3C2Tx@Cu3(HHTP)2 sensors to 100 ppm NO2 gas under various RHs from 11% to 85%; g Representative repeatable sensing tests and h long-term stability tests of the Ti3C2Tx@Cu3(HHTP)2 sensor to 100 ppm NO2 gas; and i Response versus NO2 concentration and response time of the as-known state-of-the-art NO2-based chemiresistorsFig. 5 a Cu adsorption sites of Cu3(HHTP)2 in Ti3C2Tx@Cu3(HHTP)2 composite; (b, c) PDOS of C, O, Cu, Ti atoms and total curves in Ti3C2Tx@Cu3(HHTP)2 and Ti3C2Tx@Cu3(HHTP)2/NO2 systems; d The charge density distribution and e differential charge density distribution diagram in the Ti3C2Tx@Cu3(HHTP)2/NO2 systems; f The calculated distance between the Cu site and the atoms in NO2; and g Schematic dia[1]gram of the NO2 sensing mechanism of the Ti3C2Tx@Cu3(HHTP)2 sensorFig. 6 Piezoresistive performance of the Ti3C2Tx@Cu3(HHTP)2 pressure sensor.Fig. 7 Flexible wearable alarming system for monitoring of somatomotor signals of asthma.总之，受三维互锁球形结构的生物启发并编码皮肤信息功能的 Ti3C2Tx@ Cu3(HHTP)2 复合材料制造成功。这种设计能够同时检测 NO2气体和压力，同时实现无干扰电阻输出信号。特别是实现了对二氧化氮气体的高响应(|ΔR/RO|x100%=86%至 100 ppm)快速响应速度(7 秒)、14 天的长期稳定性和优异的疏水性等卓越特性，其背后的传感机制通过密度函数理论(DFT)计算得到了进一步证实。同时，在0-6.1 kPa范围内的高效压力响应、快速响应和恢复率(0.9/0.9 秒)，以及超过 300 次循环的稳健重复性也得到了确立所有这些都通过有限元分析得到了进一步证实。出色的信号传输能力赋予了灵活的设备在声学特征感知、摩尔斯密码加密信息通信和生理运动感知方面的强大功能。最后，通过整合双模传感器和 WIFI 传输模块，一个灵活的智能警报平台被开发出来。自主研发的智能可穿戴报警系统可借助机器学习算法精确识别与哮喘有关的异常情况。在识别二氧化氮信号和各种体感运动的同时，它的分类准确率高达 97.6%。这项工作为在远程医疗诊断领域建立灵活智能的电子可穿戴警报系统提供了现实的应用前景。A Flexible Smart Healthcare Platform Conjugated with Artificial Epidermis Assembled by Three‑Dimensionally Conductive MOF Network for Gas and Pressure Sensinghttps://doi.org/10.1007/s40820-024-01548-5*本文来源：作者团队，感谢作者团队对本公众号的大力支持！如有侵权，请联系删除，如有冒犯之处敬请见谅!
