面向个性化健康医疗的智能纺织品研究进展

董 凯, 吕天梅, 盛非凡, 彭 晓

(1.中国科学院 北京纳米能源与系统研究所, 北京 101400;2.中国科学院大学 纳米科学与技术学院, 北京 100049)

在面对大流行疾病和人口老龄化问题的时候,传统公共医疗系统的医疗服务存在有限、延迟和低效等一系列问题[1-2]。同时各种慢性和急性疾病都需要长期对健康状况进行实时监测和诊断护理,医疗行业因此正在发生巨大的变化[3-4]。现如今科技在疾病治疗方面已经取得了很大突破,但是监测个人健康的主要方法仍然是基于临床观察和自我报告问卷的疾病诊断和分类,患者通常也只会在常规体检或日常生活中出现健康状况异常情况时寻求医疗帮助[5]。虽然现如今电子医疗已经可以为患者进行远程视频咨询、远程监测患者报告结果,也有人工智能聊天机器人提供远程医疗支持,但其一直存在准确性低、质量差的缺陷[6],因此,利用有效、可靠和负担得起的实时监测工具对健康状况进行实时正确检测并有效治疗是当前医学面临的一个挑战。随着老年人口的增加、医疗费用的骤增以及慢性病的流行,这个挑战变得更加紧迫[7-8]。为了应对这些挑战,要思考新的健康监测模式来构建个人卫生医疗系统,实现可靠和及时的监测与治疗。

传统医疗模式更多是基于医师的经验,对于症状不同的病人,很可能发生误诊。生活中专家号难抢,医疗保健专业人员昂贵且稀少,临床实践中缺乏长时间、融入环境的监测评估手段,这都需要科技工作者利用科技发展提升医疗系统中的预防与治疗手段。在过去的几十年里,功能性电子设备正在改变人与人、人与环境之间交互方式,集成电路、传感器、无线通信和移动网络等技术的进步使得日常和终身的健康监测系统成为可能[9-10]。集成得到的可穿戴电子产品已经可以作为健康监测的工具进行远程诊断和治疗,这标志着医疗保健正处于进入智能疾病控制和检测、虚拟医疗、智能健康管理、智能决策的新时代[11-12]。可穿戴设备的兴起可以帮助促进分散式医疗服务的发展,但其应用会受到设备体积大小限制、电源限制、人体工程学舒适性限制以及质量和耐用性变化的限制,是未来需要改进的方向[13]。

纺织品是一种具有丰富功能属性的传统可穿戴材料,例如透气性、防水性、防紫外线等。通过融入合适的功能性材料,以及调整纺织品的工艺手段和工艺参数,可以赋予其许多特殊属性的功能,包括电活性、抗冲击、抗菌抑菌[14]、热管理、防辐射等[15]。此类功能性纺织物具有悬垂性、轻盈性和多孔性的同时,还具有坚固性、高强度以及低制造成本、可高值化回收等优势[16-17]。智能纺织品能够捕捉和识别人体活动,并且可以以多种形式应用在日常生活中,如服装、眼镜、手表和智能传感器等[18],因此,可穿戴电子纺织品在无创健康监测方面的潜力获得了科研工作者的巨大关注[19]。可穿戴电子纺织品在智能纺织品应用较广泛,智能纺织品的出现是科学技术领域的重要发展突破[20]。将传感监测和治疗等功能融入智能纺织品(可以感知外部物理刺激或环境变化)中,可对病人进行诊断、治疗、护理及康复训练[21-22]。将其与无线通信设备集成,形成一个可穿戴式医疗纺织品系统,能够以最快、最近和最精确的方式为个人提供医疗服务[23]。在未来,结合5G、物联网和人工智能等技术,可穿戴医疗纺织品系统通过实时监测、健康管理和交互反馈等手段,有望为人体健康提供监护、诊断、治疗和康复方案,能够解决医疗领域的一些深层次问题[24]。最终,可穿戴式医疗纺织品系统将成为人们日常装束的组成部分。

本文介绍了几种常见的智能纺织品制备方式和响应原理及对其在个性化医疗中的常见应用概述。对智能纺织品在未来传染病预防、实时监护、辅助治疗及康复训练等方面发展做出展望,并为智能纺织品在个性化健康医疗生产技术的创新方面提供一定的参考意义。

1 常见智能纺织品

智能纺织品的功能越来越多,在个性化健康医疗中的诊断和治疗能力有赖于一系列的功能化材料,同时,不同的制造方法,原理结构,材料的搭配或制备方式的选择都决定了最终纺织品的功能[25]。

1.1 压电式

压电材料是具有压电性的一种功能性材料,在外界施加压力或拉伸的过程中产生电荷并在材料中积累电荷,反之,当施加外部电场时压电材料会被压缩或拉伸[26]。根据这种材料的特殊性质和作用原理,压电式智能纺织品可将机械能转化为电能实现力学传感。压电纳米发电机就是依靠压电效应产生电荷输出,并通过机械形变检测生物力学运动。基于纤维材料的压电纳米发电机拥有高压力敏感性,其易于实现和自供电的能力使其成为更现代的智能纺织技术,可应用于医疗保健系统(传感、电刺激和能量采集)。Yang等[27]提出了一种超细、同轴、对准和三维分层互锁的聚偏二氟乙烯(PVDF)/氧化锌(ZnO)纳米纤维,通过静电纺丝对PVDF纳米纤维表面外延生长 ZnO 金纳米棒(NRs),得到高电性能和优异柔韧性的集成,展示出超高灵敏度和对细微肌肉活动的准确检测。由于其良好的柔韧性,制造的传感器阵列可以牢固地附着在小腿肌肉的表皮上,从而可以检测由肌肉紧张或松弛引起的轻微变形。然而,PVDF是一种含氟的电活性聚合物,需要高温合成和电极化的复杂条件,其降解过程会释放氟化氢气体,对人体健康有害[28],选用可降解、生物相容的压电材料替代不可降解的材料制备更安全绿色的可穿戴传感器也是目前广泛研究的内容。Abanah等[29]设计了一种由甘氨酸-壳氨酸(GC)压电复合薄膜夹在2个ZnO NRs图案化导电纺织电极之间的新型层次结构,采用低温水热法在导电织物上直接生长ZnO NRs,并采用溶剂浇筑工艺制备气相色谱薄膜。该传感器具有良好的时间响应特性、稳定性和耐久性,可用于能量采集,能够直接集成到服装上,其使用简单制造方法结合绿色环保的生物相容可降解压电材料,为环保可穿戴压力传感器提供了灵感,促进了绿色技术的发展。如今的压电纺织品具有柔性和能量收集性能,但压电材料受自身属性和环境因素影响被限制其利用率,压电纤维与电极的电连接效率低也使得传感器的压电性能(例如输出功率、灵敏度、耐久性等)不能满足需要[30],都是未来需要不断改进的方向。

1.2 压阻式

压阻材料在机械压/拉力下会改变电阻率。这种机制已被用于高度敏感的生物力学感应。化学相互作用和温度变化也被利用于个性化的生物分子分析和体温监测。其中,压阻式传感器结构简单、灵敏度高、易于信号处理,将电阻率变化与外部应力下的几何变形耦合在一起具有静态-动态监测的双重功能[31]。利用这种工作机制制备的智能纺织品不仅具有舒适可穿戴功能,还可以检查人体生物力学信息,用于传感和功能监测。Lai 等[32]通过丝网印刷工艺在棉片表面印刷银浆和通过浸泡工艺制备了银纳米线(AgNWs)涂层棉片,制成了以叉指印花银浆棉织物为底部电极,AgNWs涂层棉织物压阻层为顶部电极的全纺织柔性压阻式压力传感器。所制得的全纺织压阻式传感器在检测手指和手腕反复弯曲的信号变化时表现出优异的重复性和检测性能,表明其在可穿戴控制器和运动检测中的潜在应用前景。然而,依然有很多压阻式传感器使用昂贵、不可降解的材料,造成大量无法回收的电子垃圾和严重的环境污染。对此,Pan等[33]采用可扩展的浸涂方法设计了一种棉纤维相容性(CFp)纺织品用于生物监测,将MXene薄片黏附在分层多孔棉纤维素纤维上,利用二者之间的强氢键增强黏附性。棉纤维素暴露于酸性环境或自然降解过程中,由于1,4-糖苷键的断裂分解为低分子质量的纤维素或葡萄糖,从而实现高效的生物降解,使电子织物具有生物相容性、可生物降解和环境友好性等优点。CFp纺织品可以在兼具佩戴舒适型的同时检测各种人体生物力学活动,包括脉搏跳动、肌肉运动和吞咽,提供了一种生态良性、成本效益和简单的方法来制造高性能可穿戴生物电子产品。但是,一直以来压阻纺织品存在着温度特性差、工艺复杂、造价昂贵、导电性差和线性感应范围窄等缺陷,因此实现同时兼具高灵敏度、线性传感能力强、耐用性好、低可检测限制和快速响应是柔性传感器目前最大的难点和目标[34]。

1.3 电容式

电容式智能纺织品是利用了压力导致的电容变化效应来进行工作的,相较于压阻式传感器具有较好的稳定性。电容式传感器通常由电极和介电层组成,鉴于其高灵敏度、快速响应时间和高稳定性,经常被用于诊断设备。此外,纺织品超级电容器还可以作为能量储存单元,为生物医学传感器或治疗设备供电。由于纤维膜的弹性模量低,在轻微的外部压力下可实现较大的压缩变形。然而,现有的织物电极制造工艺复杂,严重限制了传感器的传感性能和生产效率[35],因此,在电容式压力传感器中,静电纺丝越来越受到关注。Chen等[36]通过对钯离子(Pd2+)/聚丙烯腈(PAN)溶液进行静电纺丝并对混合纳米纤维膜进行化学镀,制备柔性电极,所获得的导电纳米纤维膜被珊瑚状银层覆盖且多孔,有利于实现优异的导电性。人体运动分析已成为医疗保健领域收集数据的重要临床步骤,科研人员试图将电容压力纺织传感器应用于人体不同位置的运动检测。Vu等[37]基于单壁碳纳米管(SWCNT),可拉伸银墨水,封装浆料和薄间隔织物的组合制造了一种纺织传感器。银浆层有助于传感器具有导电性,灵活性和可穿戴设备应用的伸缩性;SWCNT可以确保传感器在工作循环下快速恢复电导率;封装浆料/涤纶树脂纱层能保证在较大的形变下传感器结构维持稳定的弹性。另外还展示了这种传感器安装在手套上监测手指运动的应用,并开发了一种自适应神经模糊网络(ANFIS),通过分析集成传感器的智能袜子的数据来监测人类的步态。然而,电容式压力传感器依然存在一些缺点,如需要使用复杂的制造方法、高成本或缺乏更合适、不受串扰的信号处理算法,这些特点限制了大规模生产或应用于实际产品的可能性。

1.4 摩擦电式

摩擦电效应利用接触电气化和静电感应耦合,将机械运动转化为电能[38],能够有效地将生物力学运动转化为高电压和低电流信号。摩擦电纳米发电机(TENG)作为一种新型电源,其作用原理依靠摩擦电效应,具有作为新型电源的潜力。基于固体材料的TENG,其工作机制可以简化为不同材料之间的摩擦电效应,导致不同原子之间的电子转移和摩擦接触过程中材料之间的电位变化[39]。将固体材料代替为软材料,就可以制造出柔性TENG,其具备的这种特殊性能以及具有生物相容性摩擦电材料的广泛出现,以及其高信号输出、材料多样化、环境友好等特点,促使人们将摩擦电纳米发电机整合到智能保健纺织品中,用于诊断、治疗和供电应用。Cao 等[40]通过丝网印刷的方法开发了用作自供电触摸/手势传感器的可水洗电子纺织品,用于智能人机接口。可水洗电子纺织品主要由3层构成,包括顶层丝绸织物作为一种摩擦材料,底层锦纶织物作为基材,中间层是碳纳米管 (CNT) 电极阵列。用CNT油墨制造的电极阵列印在锦纶织物上。为实现电极的耐洗性,在CNT油墨的合成过程中加入了聚氨酯(PU)。形成的电极在剧烈的机械变形下表现出优异的稳定性。有关基于一维(1-D)纤维或二维(2-D)织物的摩擦电应变传感器的研究很多,获得了极佳的柔韧性和兼容性,然而,具有较好的灵敏度、耐用性、舒适性仍有待探索。因此,三维(3-D)织物不断被创新发展与摩擦电传感器集合实现更为稳定、柔软的一体式可穿戴应变传感器。Xu等[41]通过纬线嵌入技术制备了一种三维结构的摩擦电织物(3-D AS-TEF),作为一种自供电的可穿戴应变传感器,可用于微小的运动监测和手语-语音转换。由于其独特的三维拱结构,能够提供适宜的薄厚度、柔韧性和透气性等条件,摩擦电织物(TEF)表现出极佳的舒适性。利用3-D AS-TEF灵敏且稳定的输出性能,与PCB电路集成开发了自供电的应变传感系统和手语-语音翻译系统,可以应用于日常手语交流,但是目前开发和报道的集成纺织品的TENG仍需要进一步提高摩擦发电的输出功率,例如,提高摩擦电材料表面电荷密度、提升器件的柔性和可拉伸性、选取具有生物相容性的材料,以及为适配人体运动不断优化一体化集成系统的结构[42]。摩擦电纺织品想要实现实际应用于服装、手表、眼镜等生活设备中还有很长的路要走。

1.5 热电式

热电发电机(TEG)[43]可以利用热电效应将热量变化转化为电能,其结构简单是一种没有动态部件或液体的固态装置,材料本身即可转换能量。人体的热能作为能量来源可以为提供TEG恒定的势能,从人体表面收集通过标准的代谢过程产生的废热,是可穿戴TEG实现自供电的主要途径。这些纺织品热电发电机已被探索用于利用人体热量和发电,以满足医疗保健应用。Wong等[44]提出了一种利用大规模生产的碳纳米管节段热电纱(TEY)作为间隔纱制备有机基间隔织物型三维热电纺织品(TET)的方法。温差为47.5 K时,间隔织物形状的TET具有良好的耐磨性和稳定性,能够实现较高的功率密度和电压密度。TET 具有突出的发电能力,以及优异的柔韧性和耐磨性,适用于医疗保健和环境监测应用中的大面积自供电。除人体废热外,太阳能热能也是生活中可以利用到的,Zhang等[45]使用光热层聚吡咯(PPy)和热电层聚二氧乙基塞吩:对甲苯磺酰基(PEDOT:PSS)进行两步法原位制备双壳光电织物。由于聚吡咯具有很强的近红外(IR)吸收特性,因此可以利用这个特性提高织物设备光电热效应的光热转化效率。材料优化后采用由光电织物、导电织物和低热导率的纺织基板组成柔性、便携的可穿戴手环,可以同时吸收人体热量和太阳能,大大提高了转化效率,证明了纺织光热电发生器在可穿戴设备上的巨大实用价值。

1.6 电化学类

探索电化学领域,许多器件例如纳米发电机利用电化学原理,将化学能通过已知的氧化还原反应转换为电能来实现自供电。人体除需要监测脉搏、体温、血压等生命体征外,汗液、泪液、唾液和组织液这类生物流体也是分析人体代谢过程健康检测需要的直接信息,尤其是与血液水平密切相关的汗液[46]。因此在目前研究中,科研工作者试图利用普通汗液的能力,将其作为一种可再生的生物燃料,并作为一种生物分析相关的代谢物来源,用于临床观察。Parrill 等[47]使用丝网印刷的方法在商业纺织品上制造高度可拉伸的多离子电位传感器。基于纺织品的化学传感器可以直接实时监测和分析人体汗液。Gualandi等[48]详细讨论了导电聚合物(CPs)在实时汗液监测设计的纺织品电化学传感器的开发中的作用。CPs具有良好的力学性能以及典型的半导体导电性,且其生物相容性帮助它更好的应用于电子可穿戴纺织品的设计中,能够有效并安全地监测人体健康。尤其在可穿戴技术进行汗液分析的过程中,可以实时以无创方式连续采样汗液,是未来的医学,体育活动和职业安全与卫生方面广泛关注的可穿戴传感器材料,具有无限潜力。电化学传感器在机械应力或洗涤下难以保持高稳定性,传感过程中的结垢或滞后效应也可能会影响器件响应,在实际应用中这些都是需要考虑并进一步改进的。

1.7 光纤式

光纤是一种光导,可以传输几厘米到几公里的范围内的光信号,有3种主要应用途径:数据传输、光发射和传感。光纤作为传感器时光纤的选择取决于传感器的应用,其中光纤主要有3大类:玻璃光纤(GOF),水凝胶光纤(HOF)和聚合物光纤(POF),对于纺织品来说用到最多的就是POFs,因为其具有很好的柔性和高可控性[49]。当此类传感器与组织相互作用时,光的反射和折射提供了有用的生物诊断信息,而在治疗方面,发光的智能纺织品也显示出许多应用。Zhang等[50]开发了一种能够同时监测温度和脉冲/触摸的智能纺织品。芯层微纳多孔纤维束不仅充当温度传感器,也充当智能纺织品的工作电极,智能纺织品与触摸物体或人体皮肤之间接触面积的变化导致其电输出的变化,从而能够同时检测脉冲/触摸(压力)。但当人体运动皮肤拉伸,肘关节弯曲时,传感器的灵敏度和防干扰能力是需要改进的,这也是未来光纤式智能纺织品努力的方向。

2 智能纺织品在个性化医疗中的应用

2.1 呼吸睡眠监测

基于纺织品的柔性和可扩展无线生物监测系统已被开发出来,用于自我供电的个性化保健。它可以实现对人体脉搏波的实时、精确、无创和连续测量,并可以诊断阻塞性睡眠呼吸暂停(呼吸暂停综合症[51])。基于纺织品的无线生物监测系统代表着在物联网时代向构建体域网络的个性化医疗迈出了坚实的一步。Peng 等[52]使用多层聚丙烯腈(PAN)和锦纶66(PA66)纳米纤维,制备了全纳米纤维基透气呼吸传感器。该传感器由顶部封装PA66层、金电极涂覆PAN层、金电极涂覆PA66层和底部PAN基板层组成。组建的透气、灵活和自供电的电子皮肤,可以实时监测人体的呼吸信号,并提供详细的呼吸频率、强度等,经过全面评估阻塞性睡眠呼吸暂停低通气综合征的检测信号,结果显示可以记录的高精度信号的临床诊断价值。

2.2 触觉传感

纺织品物理传感器将来自生理活动的物理刺激输入转换成信息丰富的电信号,用于推断生理信息。生物力学传感器包括纺织品中使用的最先进的物理传感器类别,其形式包括摩擦电、压电、电阻或电容式压力或应变传感器。此类传感器可广泛应用于生物力学生命信号监测(心率和流动感应)。TENG为这个领域提供了具有功能性和广泛应用的智能纺织品解决方案,如被用于脉搏监测,用于生物力学到电能的转换,将动脉脉搏转化为电信号,即使在大量汗液的存在下或在水中,也无需封装。TENG阵列也被开发成针织智能纺织品传感器,跟踪人体运动,同时收集人体信息。Yang等[53]提出了一种具有定向汗液运输特性的全纳米纤维电子皮肤。设计的多层电子皮肤由超亲水水解聚丙烯腈(HPAN)、聚氨酯(TPU)和银纳米线(AgNWs)组成。电子皮肤和人体皮肤之间的黏附力很高和高柔韧性(应变大于500%),全纤维基电子皮肤适用于汗湿人体皮肤的日常长期肌电图监测。

除传统的生物监测外,生物力学智能纺织品传感器可以通过运动跟踪来了解神经系统疾病。现有的大规模传感纺织品是使用基于纳米复合材料的压阻纤维制成的,如触觉敏感的智能纺织袜,可以通过跟踪压力分布用于神经系统疾病的早期检测。将这种传感能力与基于机器学习的运动分析相结合,可以帮助诊断神经系统疾病,如肌张力障碍、帕金森病、癫痫和阿尔茨海默病等。

2.3 肌电信号监测

基于智能纺织品的心电图、脑电图和肌电图传感器也已被广泛研究,其具有良好的佩戴舒适性,不会引起类似于传统凝胶电极或电子皮肤所造成的皮肤刺激。柔性人造丝织物贴片的开发可供家庭和临床使用,其设计亮点是可使连续的肌电图监测具有简单的皮肤适应性。此外,纺织品物理传感器可以具有光学特性,以检测和产生光,并已被用于监测生理参数,包括汗液代谢物、心率、血压和氧饱和度。例如,嵌入纺织品的热敏电阻也被用来检测与电阻相关的温度变化,并帮助对体温进行连续和非侵入式的监测。使用这种类型的智能服装可以帮助预防与热有关的临床状况,如体温过高或过低,有助于实时监测极限运动安全性,以及帮助监测伤口感染和发烧情况的出现。将还原石墨烯-氧化物或PEDOT等涂层纱线编织成织物形式,能够广泛适用于这个领域的应用,是科研工作者热衷采纳的解决方案之一。Li 等[54]通过原位聚合方法制备了PEDOT/TPU复合纤维。TPU纤维具有出色的柔韧性可作为基材。PEDOT仅涂覆TPU纤维表面,形成具有良好温度传感性能的导电层。通过原位聚合方法,增强功能膜与基材之间的相互作用。

2.4 个性化治疗

智能纺织品除了具有诊断功能,其在个性化医疗中还可以用于设计特定的治疗方案,这些方案综合考虑了病人的安全系数和个人生活因素。具有治疗功能的智能纺织品可与人体互动,提供持续和一次性的治疗方案,根据个人不断变化的健康状况调整治疗。用于个性化治疗的智能纺织品有望为传统的治疗方法提供替代方案,尽管其发展仍处于早期阶段。智能纺织品在一些特定领域针对不同形式治疗方案的应用不断增加,其中主要包括智能纺织品用于第三方治疗设备的供电。由可穿戴设备增强的药物输送为药物剂量和改善给药时间的依从性提供了一个非侵入性的、方便的和高度可控的解决方案,这是个性化治疗的关键因素。考虑到需要每天给药的人口比例很大,智能纺织品可用于长期贴合皮肤,其没有疼痛或刺激,并能够确保在没有第三方或医生干预的情况下实现长期和个性化给药,减少公共医疗和患者个人的负担。智能纺织品伤口敷料已被开发用于智能给药,具有量身定制的剂量和管理时间。除监测人体的生化信号外,检测环境中的潜在危害对人体健康也非常重要。Wang等[55]通过在商业凯夫拉纺织品上直接书写石墨烯,制备了新型石墨烯/凯夫拉尔纺织品。这种纺织品可以监测二氧化氮(NO2)病毒,在智能防护服中具有潜在的应用前景。

2.5 智能诊断

诊断性智能纺织品近年来蓬勃发展收到广泛关注,其能够提供生物物理、生物化学和环境因素的连续监测。目前被开发出来的结合纺织品的可穿戴发电机主要是通过收集身体上的无源能量为智能纺织品诊断提供动力。但是由于其独特的应用环境,可能面临长期的汗水侵蚀和复杂的环境破坏等问题,这对其稳定性提出了很高的要求。Luo等[56]提出了一种超疏水、透气的、基于纺织品的电子皮肤,用于体温传感。该电子皮肤的制备过程为:首先用聚多巴胺对织物进行改性;其次,将MXene纳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)层包装电子皮肤,以避免MXene在形成超疏水层时被氧化或破坏。电子皮肤具有高疏水性和高透气性、易于清洁且穿着舒适、、优异的光电热响应、测温范围广、灵敏度高、重复性高等特点,在智能可穿戴体温监测中具有优异的性能。

2.6 其它应用

智能纺织品除上述的一些应用外,其在辅助技术方面的应用也在持续研究中,如可使残疾人、病人和/或老年患者能够重新获得独立生活至关重要的活动能力。鉴于老年人口的增长,开发更具功能性的日常服装以实现各种智能和辅助功能是至关重要的。为此,相关智能纺织品已经被设计出来,以纺织品为基础的移动辅助外骨骼支持、助听器、辅助康复训练和假肢等被开发为智能纺织品辅助技术应用。除此之外,对于人体表面而言脉搏是一个微小的生理信号,需要传感器的高灵敏度来监测。同时,人类日常活动对对脉搏传感器的信号会产生不同程度的干扰,这对设备监测范围提出了更高的要求。Sharma等[57]使用氢键触发的杂化纳米纤维膜解决了这个问题。织物传感材料由聚(乙烯醇)和超亲水双(三氟甲烷)磺酰胺锂盐制成的聚合物电解质组成。将其应用于检测人体的脉冲信号时,该传感器可从波形中清楚地区分双峰、主峰和前双峰。根据这些参数,可以诊断出相关的心血管疾病。言语障碍患者的沟通也受益于智能纺织品的使用,智能纺织品手套被开发用于手语翻译。这种辅助应用有助于将手语的手势转换为移动用户界面上的语音。除这些辅助治疗性的方案外,已经有商业化开发的智能袜有助于利用电康复疗法防止病人跌倒,织物压力传感器测量运动和压力的实时变化,确保对平衡问题做出快速反应。考虑到当今人口老龄化问题日益突出,预计2030年将有很大一部分人口需要借助健康辅助技术,智能纺织品正被作为一个潜力较大的多功能设备加以设计开发,以帮助满足这个需求。

3 结束语

智能纺织品的未来发展需要学术界和工业界对关键领域的考虑。在学术界,包括材料创新、设备结构创新、可靠性和稳定性、功能整合和性能标准化。在工业界,包括产品标准化、价值链创造、规模化制造和临床整合。使用新型原材料和开发新型复合材料对于解决可清洗性、性能提升和抗性问题将非常重要。在这方面,诸如具有可编程功能的混合复合材料是很有希望的,应该进一步探索。应避免使用生物不相容性或生理上存在排斥的材料,将重点放在开发耐腐蚀、具有生物相容性的自愈合纺织品上。此外,使用稀有或昂贵的材料不太可能带来工业上可扩展的解决方案,应寻找可行的替代方案。

从材料科学的角度来看,需要开发新型材料和先进的制造技术来满足先进的可穿戴传感器的要求,如超灵敏、高检测精度、完全集成和大规模生产。将2种或更多的功能特性结合到一种新型的多功能材料中,可能会为医疗保健可穿戴设备的开发带来更多的选择。智能纺织设备通常集成了具有更苛刻的力学性能的功能材料。纤维的微型化(纳米级)和机械软性材料的涂层,可以帮助解决这个问题。此外,在制造过程中出现的异质功能层沉积问题,可以通过界面工程来解决,以实现稳定的界面结合,减少纤维裂缝和分层的发生。在提高舒适性的织造技术方面,应寻求纺织专家的意见,包括公认的时尚纺织品学府和技术研究所,注重技术的提升而不是把重心放在重新开发技术上。还应该关注具有可替代性的织造结构和线的厚度,以实现新的功能性发展,如三维织造结构。这些具有内在灵活性、坚固性、多孔性和柔软性的结构特性的研究预计会更好地应用到整体医疗系统设备中去。

从医疗服务提供者的角度来看,可穿戴传感器在用户和医疗服务提供者之间起着重要的桥梁作用,因此,它们不仅要同时监测用户的生理参数,而且要以方便的方式提供多方面的健康状况评估。对于人工智能算法来说,数据管理是成功应用于医疗保健的关键因素。人工智能算法应该用高质量的数据进行训练,学习相关的模式。必须及时更新数据,以确保最新的信息进入数据库。

在实际应用中,智能纺织品应提供透气性、可清洗性、坚固性、热稳定性和空气/湿气渗透性,这些都是目前的薄弱环节,因此,应将重点放在防止氧化、潮湿和机械变形上。使用聚合物封装的密封性良好的纺织品传感器(覆盖曲线表面)成为一种解决方案。另外,探索材料表面的超疏水性也可以帮助解决。

开发高效的加工技术,将多种纺织保健设备与舒适的设计相结合,将是制造复杂的智能纺织品的重要一步。最近广泛制造应用的一个完全集成的纺织系统,包括纺织显示器、键盘和电源组件,被称为“数字缝纫机”就是现代化纺织技术的代表作。研究人员要将重点放在依靠现有的、低门槛的制造技术的可扩展和自动化过程上。为了解决规模化制造问题大面积推广,普及智能,建议纺织业采用自上而下的规模化生产方法。智能医疗系统的开发与优化可以从自上而下的制造战略方案中受益。在这里,规模经济的因素,包括较低的原材料成本和提供条件,统一的设计生产并适应现有的机器和镜像既定协议将占主导地位,并在连续制造模式中应用。更便宜的功能材料和更先进的平台技术也将更容易具备可扩展性。诸如纺纱这样的制造策略,经过规模化演示,可用于开发具有预设传感区域的标准化服装(胸部用于心脏和呼吸率监测,综合手套用于氧气饱和度检测,多方位传感用于运动牵引),拥有嵌入式金属导电线,可插入数据中继单元或节点。这些产品可以被大规模开发,取代医院的病号服,并易于回收利用。适宜材料的选择能够为医疗系统提供最适合日常使用的可清洗性和长期舒适性的产品。

相反,治疗性或高度功能化溶液的自下而上的扩展方法将由所需治疗功能的特异性驱动。自下而上的扩展,需要更多的技术专长和原材料种类,可以采用批量制造的方式进行。传递药物的智能纺织品,如热膨胀水凝胶药物载体,可以拥有平台式的扩展潜力,以平行的批量步骤将各种药物加载到智能纺织品上,从而生产出一系列释放药物的智能纺织品。确保智能纺织品在人体健康监测方面的临床效果得到社会的认可对其走向生物医疗领域至关重要。因此,需要培训临床医生或病人以熟悉智能纺织品的工作模式。此外,优化的用户界面、网络整合和可负担性也应和临床医生一起密切开发。

鉴于智能纺织品在个性化医疗中的多学科性质,材料科学家、电气工程师、服装行业专家、监管机构、临床医生、病人、用户界面开发人员和政府实体之间需要进行交叉合作,以优化未来的发展。