面向個性化健康醫療的智能紡織品研究進展

董 凱, 呂天梅, 盛非凡, 彭 曉

(1.中國科學院 北京納米能源與系統研究所, 北京 101400;2.中國科學院大學 納米科學與技術學院, 北京 100049)

在面對大流行疾病和人口老齡化問題的時候,傳統公共醫療系統的醫療服務存在有限、延遲和低效等一系列問題[1-2]。同時各種慢性和急性疾病都需要長期對健康狀況進行實時監測和診斷護理,醫療行業因此正在發生巨大的變化[3-4]。現如今科技在疾病治療方面已經取得了很大突破,但是監測個人健康的主要方法仍然是基于臨床觀察和自我報告問卷的疾病診斷和分類,患者通常也只會在常規體檢或日常生活中出現健康狀況異常情況時尋求醫療幫助[5]。雖然現如今電子醫療已經可以為患者進行遠程視頻咨詢、遠程監測患者報告結果,也有人工智能聊天機器人提供遠程醫療支持,但其一直存在準確性低、質量差的缺陷[6],因此,利用有效、可靠和負擔得起的實時監測工具對健康狀況進行實時正確檢測并有效治療是當前醫學面臨的一個挑戰。隨著老年人口的增加、醫療費用的驟增以及慢性病的流行,這個挑戰變得更加緊迫[7-8]。為了應對這些挑戰,要思考新的健康監測模式來構建個人衛生醫療系統,實現可靠和及時的監測與治療。

傳統醫療模式更多是基于醫師的經驗,對于癥狀不同的病人,很可能發生誤診。生活中專家號難搶,醫療保健專業人員昂貴且稀少,臨床實踐中缺乏長時間、融入環境的監測評估手段,這都需要科技工作者利用科技發展提升醫療系統中的預防與治療手段。在過去的幾十年里,功能性電子設備正在改變人與人、人與環境之間交互方式,集成電路、傳感器、無線通信和移動網絡等技術的進步使得日常和終身的健康監測系統成為可能[9-10]。集成得到的可穿戴電子產品已經可以作為健康監測的工具進行遠程診斷和治療,這標志著醫療保健正處于進入智能疾病控制和檢測、虛擬醫療、智能健康管理、智能決策的新時代[11-12]。可穿戴設備的興起可以幫助促進分散式醫療服務的發展,但其應用會受到設備體積大小限制、電源限制、人體工程學舒適性限制以及質量和耐用性變化的限制,是未來需要改進的方向[13]。

紡織品是一種具有豐富功能屬性的傳統可穿戴材料,例如透氣性、防水性、防紫外線等。通過融入合適的功能性材料,以及調整紡織品的工藝手段和工藝參數,可以賦予其許多特殊屬性的功能,包括電活性、抗沖擊、抗菌抑菌[14]、熱管理、防輻射等[15]。此類功能性紡織物具有懸垂性、輕盈性和多孔性的同時,還具有堅固性、高強度以及低制造成本、可高值化回收等優勢[16-17]。智能紡織品能夠捕捉和識別人體活動,并且可以以多種形式應用在日常生活中,如服裝、眼鏡、手表和智能傳感器等[18],因此,可穿戴電子紡織品在無創健康監測方面的潛力獲得了科研工作者的巨大關注[19]。可穿戴電子紡織品在智能紡織品應用較廣泛,智能紡織品的出現是科學技術領域的重要發展突破[20]。將傳感監測和治療等功能融入智能紡織品(可以感知外部物理刺激或環境變化)中,可對病人進行診斷、治療、護理及康復訓練[21-22]。將其與無線通信設備集成,形成一個可穿戴式醫療紡織品系統,能夠以最快、最近和最精確的方式為個人提供醫療服務[23]。在未來,結合5G、物聯網和人工智能等技術,可穿戴醫療紡織品系統通過實時監測、健康管理和交互反饋等手段,有望為人體健康提供監護、診斷、治療和康復方案,能夠解決醫療領域的一些深層次問題[24]。最終,可穿戴式醫療紡織品系統將成為人們日常裝束的組成部分。

本文介紹了幾種常見的智能紡織品制備方式和響應原理及對其在個性化醫療中的常見應用概述。對智能紡織品在未來傳染病預防、實時監護、輔助治療及康復訓練等方面發展做出展望,并為智能紡織品在個性化健康醫療生產技術的創新方面提供一定的參考意義。

1 常見智能紡織品

智能紡織品的功能越來越多,在個性化健康醫療中的診斷和治療能力有賴于一系列的功能化材料,同時,不同的制造方法,原理結構,材料的搭配或制備方式的選擇都決定了最終紡織品的功能[25]。

1.1 壓電式

壓電材料是具有壓電性的一種功能性材料,在外界施加壓力或拉伸的過程中產生電荷并在材料中積累電荷,反之,當施加外部電場時壓電材料會被壓縮或拉伸[26]。根據這種材料的特殊性質和作用原理,壓電式智能紡織品可將機械能轉化為電能實現力學傳感。壓電納米發電機就是依靠壓電效應產生電荷輸出,并通過機械形變檢測生物力學運動。基于纖維材料的壓電納米發電機擁有高壓力敏感性,其易于實現和自供電的能力使其成為更現代的智能紡織技術,可應用于醫療保健系統(傳感、電刺激和能量采集)。Yang等[27]提出了一種超細、同軸、對準和三維分層互鎖的聚偏二氟乙烯(PVDF)/氧化鋅(ZnO)納米纖維,通過靜電紡絲對PVDF納米纖維表面外延生長 ZnO 金納米棒(NRs),得到高電性能和優異柔韌性的集成,展示出超高靈敏度和對細微肌肉活動的準確檢測。由于其良好的柔韌性,制造的傳感器陣列可以牢固地附著在小腿肌肉的表皮上,從而可以檢測由肌肉緊張或松弛引起的輕微變形。然而,PVDF是一種含氟的電活性聚合物,需要高溫合成和電極化的復雜條件,其降解過程會釋放氟化氫氣體,對人體健康有害[28],選用可降解、生物相容的壓電材料替代不可降解的材料制備更安全綠色的可穿戴傳感器也是目前廣泛研究的內容。Abanah等[29]設計了一種由甘氨酸-殼氨酸(GC)壓電復合薄膜夾在2個ZnO NRs圖案化導電紡織電極之間的新型層次結構,采用低溫水熱法在導電織物上直接生長ZnO NRs,并采用溶劑澆筑工藝制備氣相色譜薄膜。該傳感器具有良好的時間響應特性、穩定性和耐久性,可用于能量采集,能夠直接集成到服裝上,其使用簡單制造方法結合綠色環保的生物相容可降解壓電材料,為環保可穿戴壓力傳感器提供了靈感,促進了綠色技術的發展。如今的壓電紡織品具有柔性和能量收集性能,但壓電材料受自身屬性和環境因素影響被限制其利用率,壓電纖維與電極的電連接效率低也使得傳感器的壓電性能(例如輸出功率、靈敏度、耐久性等)不能滿足需要[30],都是未來需要不斷改進的方向。

1.2 壓阻式

壓阻材料在機械壓/拉力下會改變電阻率。這種機制已被用于高度敏感的生物力學感應。化學相互作用和溫度變化也被利用于個性化的生物分子分析和體溫監測。其中,壓阻式傳感器結構簡單、靈敏度高、易于信號處理,將電阻率變化與外部應力下的幾何變形耦合在一起具有靜態-動態監測的雙重功能[31]。利用這種工作機制制備的智能紡織品不僅具有舒適可穿戴功能,還可以檢查人體生物力學信息,用于傳感和功能監測。Lai 等[32]通過絲網印刷工藝在棉片表面印刷銀漿和通過浸泡工藝制備了銀納米線(AgNWs)涂層棉片,制成了以叉指印花銀漿棉織物為底部電極,AgNWs涂層棉織物壓阻層為頂部電極的全紡織柔性壓阻式壓力傳感器。所制得的全紡織壓阻式傳感器在檢測手指和手腕反復彎曲的信號變化時表現出優異的重復性和檢測性能,表明其在可穿戴控制器和運動檢測中的潛在應用前景。然而,依然有很多壓阻式傳感器使用昂貴、不可降解的材料,造成大量無法回收的電子垃圾和嚴重的環境污染。對此,Pan等[33]采用可擴展的浸涂方法設計了一種棉纖維相容性(CFp)紡織品用于生物監測,將MXene薄片黏附在分層多孔棉纖維素纖維上,利用二者之間的強氫鍵增強黏附性。棉纖維素暴露于酸性環境或自然降解過程中,由于1,4-糖苷鍵的斷裂分解為低分子質量的纖維素或葡萄糖,從而實現高效的生物降解,使電子織物具有生物相容性、可生物降解和環境友好性等優點。CFp紡織品可以在兼具佩戴舒適型的同時檢測各種人體生物力學活動,包括脈搏跳動、肌肉運動和吞咽,提供了一種生態良性、成本效益和簡單的方法來制造高性能可穿戴生物電子產品。但是,一直以來壓阻紡織品存在著溫度特性差、工藝復雜、造價昂貴、導電性差和線性感應范圍窄等缺陷,因此實現同時兼具高靈敏度、線性傳感能力強、耐用性好、低可檢測限制和快速響應是柔性傳感器目前最大的難點和目標[34]。

1.3 電容式

電容式智能紡織品是利用了壓力導致的電容變化效應來進行工作的,相較于壓阻式傳感器具有較好的穩定性。電容式傳感器通常由電極和介電層組成,鑒于其高靈敏度、快速響應時間和高穩定性,經常被用于診斷設備。此外,紡織品超級電容器還可以作為能量儲存單元,為生物醫學傳感器或治療設備供電。由于纖維膜的彈性模量低,在輕微的外部壓力下可實現較大的壓縮變形。然而,現有的織物電極制造工藝復雜,嚴重限制了傳感器的傳感性能和生產效率[35],因此,在電容式壓力傳感器中,靜電紡絲越來越受到關注。Chen等[36]通過對鈀離子(Pd2+)/聚丙烯腈(PAN)溶液進行靜電紡絲并對混合納米纖維膜進行化學鍍,制備柔性電極,所獲得的導電納米纖維膜被珊瑚狀銀層覆蓋且多孔,有利于實現優異的導電性。人體運動分析已成為醫療保健領域收集數據的重要臨床步驟,科研人員試圖將電容壓力紡織傳感器應用于人體不同位置的運動檢測。Vu等[37]基于單壁碳納米管(SWCNT),可拉伸銀墨水,封裝漿料和薄間隔織物的組合制造了一種紡織傳感器。銀漿層有助于傳感器具有導電性,靈活性和可穿戴設備應用的伸縮性;SWCNT可以確保傳感器在工作循環下快速恢復電導率;封裝漿料/滌綸樹脂紗層能保證在較大的形變下傳感器結構維持穩定的彈性。另外還展示了這種傳感器安裝在手套上監測手指運動的應用,并開發了一種自適應神經模糊網絡(ANFIS),通過分析集成傳感器的智能襪子的數據來監測人類的步態。然而,電容式壓力傳感器依然存在一些缺點,如需要使用復雜的制造方法、高成本或缺乏更合適、不受串擾的信號處理算法,這些特點限制了大規模生產或應用于實際產品的可能性。

1.4 摩擦電式

摩擦電效應利用接觸電氣化和靜電感應耦合,將機械運動轉化為電能[38],能夠有效地將生物力學運動轉化為高電壓和低電流信號。摩擦電納米發電機(TENG)作為一種新型電源,其作用原理依靠摩擦電效應,具有作為新型電源的潛力。基于固體材料的TENG,其工作機制可以簡化為不同材料之間的摩擦電效應,導致不同原子之間的電子轉移和摩擦接觸過程中材料之間的電位變化[39]。將固體材料代替為軟材料,就可以制造出柔性TENG,其具備的這種特殊性能以及具有生物相容性摩擦電材料的廣泛出現,以及其高信號輸出、材料多樣化、環境友好等特點,促使人們將摩擦電納米發電機整合到智能保健紡織品中,用于診斷、治療和供電應用。Cao 等[40]通過絲網印刷的方法開發了用作自供電觸摸/手勢傳感器的可水洗電子紡織品,用于智能人機接口。可水洗電子紡織品主要由3層構成,包括頂層絲綢織物作為一種摩擦材料,底層錦綸織物作為基材,中間層是碳納米管 (CNT) 電極陣列。用CNT油墨制造的電極陣列印在錦綸織物上。為實現電極的耐洗性,在CNT油墨的合成過程中加入了聚氨酯(PU)。形成的電極在劇烈的機械變形下表現出優異的穩定性。有關基于一維(1-D)纖維或二維(2-D)織物的摩擦電應變傳感器的研究很多,獲得了極佳的柔韌性和兼容性,然而,具有較好的靈敏度、耐用性、舒適性仍有待探索。因此,三維(3-D)織物不斷被創新發展與摩擦電傳感器集合實現更為穩定、柔軟的一體式可穿戴應變傳感器。Xu等[41]通過緯線嵌入技術制備了一種三維結構的摩擦電織物(3-D AS-TEF),作為一種自供電的可穿戴應變傳感器,可用于微小的運動監測和手語-語音轉換。由于其獨特的三維拱結構,能夠提供適宜的薄厚度、柔韌性和透氣性等條件,摩擦電織物(TEF)表現出極佳的舒適性。利用3-D AS-TEF靈敏且穩定的輸出性能,與PCB電路集成開發了自供電的應變傳感系統和手語-語音翻譯系統,可以應用于日常手語交流,但是目前開發和報道的集成紡織品的TENG仍需要進一步提高摩擦發電的輸出功率,例如,提高摩擦電材料表面電荷密度、提升器件的柔性和可拉伸性、選取具有生物相容性的材料,以及為適配人體運動不斷優化一體化集成系統的結構[42]。摩擦電紡織品想要實現實際應用于服裝、手表、眼鏡等生活設備中還有很長的路要走。

1.5 熱電式

熱電發電機(TEG)[43]可以利用熱電效應將熱量變化轉化為電能,其結構簡單是一種沒有動態部件或液體的固態裝置,材料本身即可轉換能量。人體的熱能作為能量來源可以為提供TEG恒定的勢能,從人體表面收集通過標準的代謝過程產生的廢熱,是可穿戴TEG實現自供電的主要途徑。這些紡織品熱電發電機已被探索用于利用人體熱量和發電,以滿足醫療保健應用。Wong等[44]提出了一種利用大規模生產的碳納米管節段熱電紗(TEY)作為間隔紗制備有機基間隔織物型三維熱電紡織品(TET)的方法。溫差為47.5 K時,間隔織物形狀的TET具有良好的耐磨性和穩定性,能夠實現較高的功率密度和電壓密度。TET 具有突出的發電能力,以及優異的柔韌性和耐磨性,適用于醫療保健和環境監測應用中的大面積自供電。除人體廢熱外,太陽能熱能也是生活中可以利用到的,Zhang等[45]使用光熱層聚吡咯(PPy)和熱電層聚二氧乙基塞吩:對甲苯磺酰基(PEDOT:PSS)進行兩步法原位制備雙殼光電織物。由于聚吡咯具有很強的近紅外(IR)吸收特性,因此可以利用這個特性提高織物設備光電熱效應的光熱轉化效率。材料優化后采用由光電織物、導電織物和低熱導率的紡織基板組成柔性、便攜的可穿戴手環,可以同時吸收人體熱量和太陽能,大大提高了轉化效率,證明了紡織光熱電發生器在可穿戴設備上的巨大實用價值。

1.6 電化學類

探索電化學領域,許多器件例如納米發電機利用電化學原理,將化學能通過已知的氧化還原反應轉換為電能來實現自供電。人體除需要監測脈搏、體溫、血壓等生命體征外,汗液、淚液、唾液和組織液這類生物流體也是分析人體代謝過程健康檢測需要的直接信息,尤其是與血液水平密切相關的汗液[46]。因此在目前研究中,科研工作者試圖利用普通汗液的能力,將其作為一種可再生的生物燃料,并作為一種生物分析相關的代謝物來源,用于臨床觀察。Parrill 等[47]使用絲網印刷的方法在商業紡織品上制造高度可拉伸的多離子電位傳感器。基于紡織品的化學傳感器可以直接實時監測和分析人體汗液。Gualandi等[48]詳細討論了導電聚合物(CPs)在實時汗液監測設計的紡織品電化學傳感器的開發中的作用。CPs具有良好的力學性能以及典型的半導體導電性,且其生物相容性幫助它更好的應用于電子可穿戴紡織品的設計中,能夠有效并安全地監測人體健康。尤其在可穿戴技術進行汗液分析的過程中,可以實時以無創方式連續采樣汗液,是未來的醫學,體育活動和職業安全與衛生方面廣泛關注的可穿戴傳感器材料,具有無限潛力。電化學傳感器在機械應力或洗滌下難以保持高穩定性,傳感過程中的結垢或滯后效應也可能會影響器件響應,在實際應用中這些都是需要考慮并進一步改進的。

1.7 光纖式

光纖是一種光導,可以傳輸幾厘米到幾公里的范圍內的光信號,有3種主要應用途徑:數據傳輸、光發射和傳感。光纖作為傳感器時光纖的選擇取決于傳感器的應用,其中光纖主要有3大類:玻璃光纖(GOF),水凝膠光纖(HOF)和聚合物光纖(POF),對于紡織品來說用到最多的就是POFs,因為其具有很好的柔性和高可控性[49]。當此類傳感器與組織相互作用時,光的反射和折射提供了有用的生物診斷信息,而在治療方面,發光的智能紡織品也顯示出許多應用。Zhang等[50]開發了一種能夠同時監測溫度和脈沖/觸摸的智能紡織品。芯層微納多孔纖維束不僅充當溫度傳感器,也充當智能紡織品的工作電極,智能紡織品與觸摸物體或人體皮膚之間接觸面積的變化導致其電輸出的變化,從而能夠同時檢測脈沖/觸摸(壓力)。但當人體運動皮膚拉伸,肘關節彎曲時,傳感器的靈敏度和防干擾能力是需要改進的,這也是未來光纖式智能紡織品努力的方向。

2 智能紡織品在個性化醫療中的應用

2.1 呼吸睡眠監測

基于紡織品的柔性和可擴展無線生物監測系統已被開發出來,用于自我供電的個性化保健。它可以實現對人體脈搏波的實時、精確、無創和連續測量,并可以診斷阻塞性睡眠呼吸暫停(呼吸暫停綜合癥[51])。基于紡織品的無線生物監測系統代表著在物聯網時代向構建體域網絡的個性化醫療邁出了堅實的一步。Peng 等[52]使用多層聚丙烯腈(PAN)和錦綸66(PA66)納米纖維,制備了全納米纖維基透氣呼吸傳感器。該傳感器由頂部封裝PA66層、金電極涂覆PAN層、金電極涂覆PA66層和底部PAN基板層組成。組建的透氣、靈活和自供電的電子皮膚,可以實時監測人體的呼吸信號,并提供詳細的呼吸頻率、強度等,經過全面評估阻塞性睡眠呼吸暫停低通氣綜合征的檢測信號,結果顯示可以記錄的高精度信號的臨床診斷價值。

2.2 觸覺傳感

紡織品物理傳感器將來自生理活動的物理刺激輸入轉換成信息豐富的電信號,用于推斷生理信息。生物力學傳感器包括紡織品中使用的最先進的物理傳感器類別,其形式包括摩擦電、壓電、電阻或電容式壓力或應變傳感器。此類傳感器可廣泛應用于生物力學生命信號監測(心率和流動感應)。TENG為這個領域提供了具有功能性和廣泛應用的智能紡織品解決方案,如被用于脈搏監測,用于生物力學到電能的轉換,將動脈脈搏轉化為電信號,即使在大量汗液的存在下或在水中,也無需封裝。TENG陣列也被開發成針織智能紡織品傳感器,跟蹤人體運動,同時收集人體信息。Yang等[53]提出了一種具有定向汗液運輸特性的全納米纖維電子皮膚。設計的多層電子皮膚由超親水水解聚丙烯腈(HPAN)、聚氨酯(TPU)和銀納米線(AgNWs)組成。電子皮膚和人體皮膚之間的黏附力很高和高柔韌性(應變大于500%),全纖維基電子皮膚適用于汗濕人體皮膚的日常長期肌電圖監測。

除傳統的生物監測外,生物力學智能紡織品傳感器可以通過運動跟蹤來了解神經系統疾病。現有的大規模傳感紡織品是使用基于納米復合材料的壓阻纖維制成的,如觸覺敏感的智能紡織襪,可以通過跟蹤壓力分布用于神經系統疾病的早期檢測。將這種傳感能力與基于機器學習的運動分析相結合,可以幫助診斷神經系統疾病,如肌張力障礙、帕金森病、癲癇和阿爾茨海默病等。

2.3 肌電信號監測

基于智能紡織品的心電圖、腦電圖和肌電圖傳感器也已被廣泛研究,其具有良好的佩戴舒適性,不會引起類似于傳統凝膠電極或電子皮膚所造成的皮膚刺激。柔性人造絲織物貼片的開發可供家庭和臨床使用,其設計亮點是可使連續的肌電圖監測具有簡單的皮膚適應性。此外,紡織品物理傳感器可以具有光學特性,以檢測和產生光,并已被用于監測生理參數,包括汗液代謝物、心率、血壓和氧飽和度。例如,嵌入紡織品的熱敏電阻也被用來檢測與電阻相關的溫度變化,并幫助對體溫進行連續和非侵入式的監測。使用這種類型的智能服裝可以幫助預防與熱有關的臨床狀況,如體溫過高或過低,有助于實時監測極限運動安全性,以及幫助監測傷口感染和發燒情況的出現。將還原石墨烯-氧化物或PEDOT等涂層紗線編織成織物形式,能夠廣泛適用于這個領域的應用,是科研工作者熱衷采納的解決方案之一。Li 等[54]通過原位聚合方法制備了PEDOT/TPU復合纖維。TPU纖維具有出色的柔韌性可作為基材。PEDOT僅涂覆TPU纖維表面,形成具有良好溫度傳感性能的導電層。通過原位聚合方法,增強功能膜與基材之間的相互作用。

2.4 個性化治療

智能紡織品除了具有診斷功能,其在個性化醫療中還可以用于設計特定的治療方案,這些方案綜合考慮了病人的安全系數和個人生活因素。具有治療功能的智能紡織品可與人體互動,提供持續和一次性的治療方案,根據個人不斷變化的健康狀況調整治療。用于個性化治療的智能紡織品有望為傳統的治療方法提供替代方案,盡管其發展仍處于早期階段。智能紡織品在一些特定領域針對不同形式治療方案的應用不斷增加,其中主要包括智能紡織品用于第三方治療設備的供電。由可穿戴設備增強的藥物輸送為藥物劑量和改善給藥時間的依從性提供了一個非侵入性的、方便的和高度可控的解決方案,這是個性化治療的關鍵因素。考慮到需要每天給藥的人口比例很大,智能紡織品可用于長期貼合皮膚,其沒有疼痛或刺激,并能夠確保在沒有第三方或醫生干預的情況下實現長期和個性化給藥,減少公共醫療和患者個人的負擔。智能紡織品傷口敷料已被開發用于智能給藥,具有量身定制的劑量和管理時間。除監測人體的生化信號外,檢測環境中的潛在危害對人體健康也非常重要。Wang等[55]通過在商業凱夫拉紡織品上直接書寫石墨烯,制備了新型石墨烯/凱夫拉爾紡織品。這種紡織品可以監測二氧化氮(NO2)病毒,在智能防護服中具有潛在的應用前景。

2.5 智能診斷

診斷性智能紡織品近年來蓬勃發展收到廣泛關注,其能夠提供生物物理、生物化學和環境因素的連續監測。目前被開發出來的結合紡織品的可穿戴發電機主要是通過收集身體上的無源能量為智能紡織品診斷提供動力。但是由于其獨特的應用環境,可能面臨長期的汗水侵蝕和復雜的環境破壞等問題,這對其穩定性提出了很高的要求。Luo等[56]提出了一種超疏水、透氣的、基于紡織品的電子皮膚,用于體溫傳感。該電子皮膚的制備過程為:首先用聚多巴胺對織物進行改性;其次,將MXene納米片涂覆在聚多巴胺的表面上。最后,使用聚二甲基硅氧烷(PDMS)層包裝電子皮膚,以避免MXene在形成超疏水層時被氧化或破壞。電子皮膚具有高疏水性和高透氣性、易于清潔且穿著舒適、、優異的光電熱響應、測溫范圍廣、靈敏度高、重復性高等特點,在智能可穿戴體溫監測中具有優異的性能。

2.6 其它應用

智能紡織品除上述的一些應用外,其在輔助技術方面的應用也在持續研究中,如可使殘疾人、病人和/或老年患者能夠重新獲得獨立生活至關重要的活動能力。鑒于老年人口的增長,開發更具功能性的日常服裝以實現各種智能和輔助功能是至關重要的。為此,相關智能紡織品已經被設計出來,以紡織品為基礎的移動輔助外骨骼支持、助聽器、輔助康復訓練和假肢等被開發為智能紡織品輔助技術應用。除此之外,對于人體表面而言脈搏是一個微小的生理信號,需要傳感器的高靈敏度來監測。同時,人類日常活動對對脈搏傳感器的信號會產生不同程度的干擾,這對設備監測范圍提出了更高的要求。Sharma等[57]使用氫鍵觸發的雜化納米纖維膜解決了這個問題。織物傳感材料由聚(乙烯醇)和超親水雙(三氟甲烷)磺酰胺鋰鹽制成的聚合物電解質組成。將其應用于檢測人體的脈沖信號時,該傳感器可從波形中清楚地區分雙峰、主峰和前雙峰。根據這些參數,可以診斷出相關的心血管疾病。言語障礙患者的溝通也受益于智能紡織品的使用,智能紡織品手套被開發用于手語翻譯。這種輔助應用有助于將手語的手勢轉換為移動用戶界面上的語音。除這些輔助治療性的方案外,已經有商業化開發的智能襪有助于利用電康復療法防止病人跌倒,織物壓力傳感器測量運動和壓力的實時變化,確保對平衡問題做出快速反應。考慮到當今人口老齡化問題日益突出,預計2030年將有很大一部分人口需要借助健康輔助技術,智能紡織品正被作為一個潛力較大的多功能設備加以設計開發,以幫助滿足這個需求。

3 結束語

智能紡織品的未來發展需要學術界和工業界對關鍵領域的考慮。在學術界,包括材料創新、設備結構創新、可靠性和穩定性、功能整合和性能標準化。在工業界,包括產品標準化、價值鏈創造、規模化制造和臨床整合。使用新型原材料和開發新型復合材料對于解決可清洗性、性能提升和抗性問題將非常重要。在這方面,諸如具有可編程功能的混合復合材料是很有希望的,應該進一步探索。應避免使用生物不相容性或生理上存在排斥的材料,將重點放在開發耐腐蝕、具有生物相容性的自愈合紡織品上。此外,使用稀有或昂貴的材料不太可能帶來工業上可擴展的解決方案,應尋找可行的替代方案。

從材料科學的角度來看,需要開發新型材料和先進的制造技術來滿足先進的可穿戴傳感器的要求,如超靈敏、高檢測精度、完全集成和大規模生產。將2種或更多的功能特性結合到一種新型的多功能材料中,可能會為醫療保健可穿戴設備的開發帶來更多的選擇。智能紡織設備通常集成了具有更苛刻的力學性能的功能材料。纖維的微型化(納米級)和機械軟性材料的涂層,可以幫助解決這個問題。此外,在制造過程中出現的異質功能層沉積問題,可以通過界面工程來解決,以實現穩定的界面結合,減少纖維裂縫和分層的發生。在提高舒適性的織造技術方面,應尋求紡織專家的意見,包括公認的時尚紡織品學府和技術研究所,注重技術的提升而不是把重心放在重新開發技術上。還應該關注具有可替代性的織造結構和線的厚度,以實現新的功能性發展,如三維織造結構。這些具有內在靈活性、堅固性、多孔性和柔軟性的結構特性的研究預計會更好地應用到整體醫療系統設備中去。

從醫療服務提供者的角度來看,可穿戴傳感器在用戶和醫療服務提供者之間起著重要的橋梁作用,因此,它們不僅要同時監測用戶的生理參數,而且要以方便的方式提供多方面的健康狀況評估。對于人工智能算法來說,數據管理是成功應用于醫療保健的關鍵因素。人工智能算法應該用高質量的數據進行訓練,學習相關的模式。必須及時更新數據,以確保最新的信息進入數據庫。

在實際應用中,智能紡織品應提供透氣性、可清洗性、堅固性、熱穩定性和空氣/濕氣滲透性,這些都是目前的薄弱環節,因此,應將重點放在防止氧化、潮濕和機械變形上。使用聚合物封裝的密封性良好的紡織品傳感器(覆蓋曲線表面)成為一種解決方案。另外,探索材料表面的超疏水性也可以幫助解決。

開發高效的加工技術,將多種紡織保健設備與舒適的設計相結合,將是制造復雜的智能紡織品的重要一步。最近廣泛制造應用的一個完全集成的紡織系統,包括紡織顯示器、鍵盤和電源組件,被稱為“數字縫紉機”就是現代化紡織技術的代表作。研究人員要將重點放在依靠現有的、低門檻的制造技術的可擴展和自動化過程上。為了解決規模化制造問題大面積推廣,普及智能,建議紡織業采用自上而下的規模化生產方法。智能醫療系統的開發與優化可以從自上而下的制造戰略方案中受益。在這里,規模經濟的因素,包括較低的原材料成本和提供條件,統一的設計生產并適應現有的機器和鏡像既定協議將占主導地位,并在連續制造模式中應用。更便宜的功能材料和更先進的平臺技術也將更容易具備可擴展性。諸如紡紗這樣的制造策略,經過規模化演示,可用于開發具有預設傳感區域的標準化服裝(胸部用于心臟和呼吸率監測,綜合手套用于氧氣飽和度檢測,多方位傳感用于運動牽引),擁有嵌入式金屬導電線,可插入數據中繼單元或節點。這些產品可以被大規模開發,取代醫院的病號服,并易于回收利用。適宜材料的選擇能夠為醫療系統提供最適合日常使用的可清洗性和長期舒適性的產品。

相反,治療性或高度功能化溶液的自下而上的擴展方法將由所需治療功能的特異性驅動。自下而上的擴展,需要更多的技術專長和原材料種類,可以采用批量制造的方式進行。傳遞藥物的智能紡織品,如熱膨脹水凝膠藥物載體,可以擁有平臺式的擴展潛力,以平行的批量步驟將各種藥物加載到智能紡織品上,從而生產出一系列釋放藥物的智能紡織品。確保智能紡織品在人體健康監測方面的臨床效果得到社會的認可對其走向生物醫療領域至關重要。因此,需要培訓臨床醫生或病人以熟悉智能紡織品的工作模式。此外,優化的用戶界面、網絡整合和可負擔性也應和臨床醫生一起密切開發。

鑒于智能紡織品在個性化醫療中的多學科性質,材料科學家、電氣工程師、服裝行業專家、監管機構、臨床醫生、病人、用戶界面開發人員和政府實體之間需要進行交叉合作,以優化未來的發展。