精准医疗中的柔性电子技能_柔性_电子器件

精准医疗的观点

精准医疗是指综合考虑基因组、生理状况、生活习气、个人医疗史及生存环境等多种成分的共同浸染，对疾病进行预防、诊断与治疗的新型医疗模式。
比较传统的医学模式，精准医疗从基因层面、个体表型层面以及外部环境层面对某类疾病进行综合诊疗，旨在实现对患病风险的精准预测、对疾病的精确诊断与分类、治疗方法与药物的精确运用以及对疗效的精确量化，为提高人口康健水平、避免有害医疗和减少医疗资源摧残浪费蹂躏等供应更加科学合理的医疗体系。
以糖尿病为例，其病因和发病机制尚不明确，常日认为是基因、生活习气和环境等多种成分共同浸染造成的。
在精准医疗模式下，结合糖尿病群体基因数据库对高危人群进行检测，预测患病风险，为具有高患病风险的人群供应相应辅导方案预防糖尿病的发生；对已患糖尿病的个体进行精确诊断与分类，制订个性化治疗策略；在治疗期间对患者进行长期动态监测，精确量化药效，从而科学调度治疗方案。

精准医疗与移动丈量传感技能

精准医疗哀求结合基因组学数据、个体表型数据及环境数据，建立综合全面的个人康健大数据库，为疾病的预防、诊断和疗效评价供应科学客不雅观的依据（图1），因此须要发展能够实时获取个体康健信息，并及时上传至康健管理平台或医疗做事机构的移动丈量传感技能。
互联网技能的发展和海内移动通信设备的遍及，为发展基于互联网的移动丈量传感技能带来了新契机。
将医学检测装置得到的个人生理参数、生活习气和环境状况等数据，通过手机等移动通信设备上传至云端做事器，在医疗系统、年夜夫和患者之间构建信息闭环网络，有助于为患者供应个性化的疾病治疗和康健照顾护士方案。
可以预见的是，如果中国有几亿人口处于这样的闭环网络中，每个人都能方便地获取经由整合与剖析的个人康健信息，及时调度自己的生活习气以改进自身的康健状况，终极国人的整体康健水平都能得到提升。

图1 精准医疗模式下医学大数据的构成

精准医疗模式须要有移动丈量传感技能的支持才能实现多维信息的实时获取与传输，这就哀求医学丈量装置能够长期跟随人体实现动态丈量。
然而，目前的医学丈量装置常日基于刚性器件和封装，这类装置虽然技能成熟，但与人体的打仗不可靠且不能随意形变，运动跟随性差，无法在精确性、重复性以及稳定性上知足精准丈量的哀求。
近年来，柔性电子技能的兴起与发展为动态医学监测供应了新的办理方案。

与传统的基于刚性基底和刚性材料的电子电路技能不同，柔性电子技能是一种建立在可波折或可延展柔性基板上的全新的电子电路技能。
它的基本观点是在柔性衬底上集成多种功能和材料的元器件，构建具有物理弯折能力和一定形变能力的电子器件或电子系统。
20世纪70年代，光导有机材料、导电聚合物和共轭半导体聚合物等的相继创造引起了学者们对柔性电子器件的研究热潮，此后柔性器件被大量运用于显示领域。
但当时还比较缺少对柔性电子机理的研究，构建柔性电子器件的材料体系还不足完善、功能还不足多样、加工方法还不足多元，还未构建出一整套系统的柔性电子知识体系以及包含多种材料体系和器件种类的柔性电子系统。
20世纪90年代，软光刻技能的发明标志着柔性电子进入了快速发展期间，随后柔性电子器件在信息、医学、航空航天和国防等领域均取得了许多进展。
2000年，《Science》将有机电子学列为天下10大新兴科技之一。
当时的一些研究已经可以通过利用减薄的刚性传感材料或将丈量单元集成在柔性衬底或织物上构建柔性医学丈量装置，这些装置具有一定的柔性但仍旧无法跟随人体运动发生较大形变，且丈量系统中采取的材料和元器件种类不足丰富，因此在重复性和精确性上仍旧不敷以达到精准医疗的哀求。
随后，可延展电子构造的涌现办理了丈量装置形变能力与器件性能之间的抵牾，使柔性丈量装置在集成更多优秀性能的材料与元器件的同时，能够得到更大的延展性。

经由近半个世纪的发展，柔性电子技能已经形成了一套相对完备的知识体系，对柔性电子热学、力学和电学机理的研究已经十分丰富，构建柔性电子器件的材料体系相对完全地涵盖了各种天然柔性材料和刚性材料，制造工艺涉及互补金属氧化物半导体（complementary metal oxide semiconductor，CMOS）、微机电系统（micro-electro-mechanical system，MEMS）、打印和转印等多种加工方法，器件种类涉及了显示、传感、通信和能源等多个领域，各种柔性电子器件已经能够构建稳定可靠的柔性电子丈量系统。
如今的柔性医学检测装置具有功能丰富、质量轻、形态可变等特点，并且能够顺应人体组织描述从而长期跟随人体实现动态监测，同时还能减少因丈量位置改变造成的丈量偏差，知足精准丈量的哀求。
进一步研究基于柔性电子器件的移动监测系统，能够为精准医疗的实现供应有力的技能保障。

柔性电子的干系技能

柔性电子技能涉及物理、电子、材料、微纳加工和系统集成等多门学科，在研究柔性医学监测系统时，须要综合考虑热场、电场和力场等多场耦合效应，下面将从材料体系、构造设计、集成办法和数据通报办法等方面对柔性电子采取的干系技能进行概述。

构成柔性电子器件的材料既包括天然的柔性材料，也包括经由分外构造设计的刚性材料。
柔性电子器件中采取的柔性材料如弹性体、导电聚合物或液态金属等，由于具有较低的杨氏模量（0~100 MPa）和较高的断裂应变（30% ~1000%），因此很随意马虎发生形变，利用这些材料构建柔性电子器件能够最大程度地减鄙吝件对人体的束缚，可用于构成柔性电路中的基底、黏附层、黏连剂和传感单元等。
同时，金属（如铜、金和钛）、半导体（如硅、砷化镓和聚（3-己基噻吩-2,5-二基））、电介质（聚酰亚胺、聚甲基丙烯酸甲酯和聚对二甲苯）等刚性材料可以以薄膜形态用于构建柔性电子器件中的互连线、电极和其他其电路元件（如电阻、电容和电感）。
由于材料的最大波折曲率随厚度的减小而增大，因此这些厚度范围仅为几十纳米至几十微米的薄膜具有可波折性、可折叠性和一定的延展性。
为了进一步适应日常生理活动引起的皮肤或器官形变，一些柔性传感器的互连线采取了蛇形、岛桥形、螺旋形或分形（图2）等分外构造设计，使得这些器件在受力状态下，利用构造的形变去减小材料的形变，使材料内部的应变始终小于材料本身断裂应变，使得器件具有了更高的延展能力，从而担保了器件的可延展性。
近年来，除了平面可延展和拉伸构造，空间可延展构造的研究也得到了进一步的打破，实现了利用平面预应力的开释，得到可控的空间弯折构造，为实现三维电子器件的加工和集成奠定了根本。

图2 柔性电子器件的各种构造设计

柔性电子器件可以通过不同的办法实现与生物组织的集成，紧张包括了皮肤打仗式（图3（a））、非皮肤打仗式（图3（b））和植入式（图3（c））。
个中，皮肤打仗式是指借助薄膜材料与皮肤间的范德华力，使器件自发地吸附于皮肤表面，因此又称为表皮电子系统。
柔性表皮电子器件在无需其他物理配件赞助的情形下，就能实现与皮肤表面的可逆粘贴，丈量皮肤表面的各种物理参数和各种通过体液即可获取的化学参数。
其余，表皮电子器件还可以通过采取具有高度生物亲合性的黏结剂（如硅胶和树脂胶）与皮肤实现可逆连接。
非皮肤打仗式是指将电子器件集成于衣服、袜子、手套、绷带等织物表面，或将这些织物本身的材料加以改造，实现具有导电性的智能织物，这类电子器件目前紧张运用于日常康健监测和康复监测等场合丈量与人体运动干系的物理参数。
植入式是指通过手术、注射、导管等办法将电子器件植入人体内，丈量体内的化学身分或器官的性能与状态。
一些植入式器件与体内器官表面的机器属性相似，因此能够顺应器官表面形态，实现与器官表面的紧密打仗。
值得一提的是，一些植入式器件采取了生物可接管材料，器件在完成功能后不须要进行二次手术将其取出，而是通过水解或代谢浸染被生物体接管，此类器件也被称为瞬态可溶性电子器件。

图3 柔性电子器件的各种集成办法

精准医疗模式哀求医疗监测装置能够长期连续地对人体的各项生理参数、环境成分和行为习气等进行丈量，并将这些动态数据通过移动通讯设备及时上传至云端做事器，以便年夜夫随时获取这些数据作为诊断和跟踪疗效的依据。
这不仅须要医疗监测系统采取体积小、质量轻、运动跟随性强的柔性可延展传感装置，还须要监测系统具有无线数据传输能力（图4）。
近年来，柔性传感器在无线旗子暗记传输方面取得了丰富的研究成果。
例如，利用高频电磁波加载调频的蓝牙技能、通过调频和调幅等办法通报数据的近场通技能，或是利用压控振荡器产生的调制旗子暗记将未经模数转换的传感器获取的电压旗子暗记直接转化为频率旗子暗记，通过改变电磁波的频率实现数据的通报。

图4 各种无线柔性医学监测装置

柔性电子器件在精准医疗中的运用

近年来，柔性电子器件在医学监测领域取得了丰富的研究成果，实现了对生理指标、生理电旗子暗记和生归天学分子等各种与人体康健干系的参数的监测。
个中，生理指标的监测包括对血压、呼吸、脉搏、体温等基本物理量进行丈量。
例如，Zhang等展示了一种表皮差分温度传感器，实现了对人体中央体温的非侵入式丈量；一种表皮无机光电传感器实现了对人体血氧和脉搏旗子暗记的动态监测，该传感器采取了整体浮岛构造的力学设计，使传感器的光路不受皮肤形变的影响；一种网状石墨烯应变传感器实现了对呼吸、面部表情变革、眨眼、脉搏等微弱人体运动旗子暗记的监测，该传感器将网状石墨烯平铺在高聚物和医用胶带复合薄膜，因此与人体皮肤具有兼容性可以与皮肤紧密贴合。
柔性电子器件在医学检测领域的另一个主要运用是对心电、脑电、肌电、眼电、神经电旗子暗记等各种生理电旗子暗记进行监测。
一种具有多种丈量功能的表皮电子系统，实现了对心电、肌电以及表皮温度等物理旗子暗记的丈量，系统中的柔性可延展皮肤电极具有比传统干电极更小的打仗电阻；Kim等研发了一栽种入式柔性光遗传光电系统，采取无线射频供电的办法驱动系统事情，实现小鼠多巴胺前体的受控分泌和神经旗子暗记丈量。
柔性电子器件在生物分子剖析方面也取得了许多新进展。
一种基于功能性基底的新型生物柔性传感器实现了对汗液的动态网络、丈量和身分剖析，极大简化了传统体液丈量中的微流体样品采集办法；一种采取打印技能制备的生物传感器，实现了对汗液中葡萄糖含量的检测；Bandodkar等展示了一种具有蓝牙通讯功能的表皮纹身贴纸，实现了对汗液中的Na+浓度。
除此之外，柔性电子器件还可运用于日常康健监测和康复监测领域。
例如，一种基于聚合物/多壁碳纳米管复合股料的柔性压力传感器实现了对烧伤皮肤局部区域压力水平的丈量，可以运用于对烧伤皮肤增生情形的长期监测；Araki等提出了一种具有NFC功能的表皮紫外线传感器，利用比色法实现了对皮肤紫外线曝露水平监测；一种利用NFC技能供应电能和传输信息的表皮监测装置，实现了对心率、组织氧合、紫外线曝露水平和动脉血流量的监测。
上述柔性电子器件具有良好的生物兼容性、轻薄的形态和稳定的数据传输能力，能够为诊断、治疗和康复监测等医疗过程供应精准的动态数据，不论在精确性、重复性还是稳定性上都能知足精准医疗对移动丈量装置的哀求，有望取代传统的刚性器件成为下一代医学检测器件。

当前中国的医疗体系存在着人均医疗资源不敷、城乡医疗水平差别过大、医疗资源摧残浪费蹂躏等诸多问题，精准医疗模式的提出为办理上述问题供应了打破口。
精准医疗模式的建立须要发展能够实时获取个体康健信息并及时上传至康健管理平台或医疗做事机构的移动丈量传感技能。
近年来，柔性电子技能的发达发展为移动丈量传感装置的实现供应了新思路和新手段。
柔性医学检测器件具有与人体皮肤、器官和衣服等优柔表面相似的机器属性，且具有体积小、质量轻、可形变等上风，因此能够在不影响人体正常活动的情形下对人体进行长期动态监测，为精准医疗模式须要的移动丈量供应了有力的技能保障。

为了进一步提升柔性医学检测系统的性能，使其更好地做事于精准医疗模式，可以从提高系统的供电能力、集成度与繁芜度以及深入研究化学量检测等方面入手。
目前，柔性医学检测系统的供电方案紧张是采取高能量密度的可充电电化学电池，这种方法能够知足系统对待机时长和小体积的双主要求，为了进一步延长事情韶光，可以采取光伏、热电、压电等技能为系统供应赞助小电能，也可以通过网络环境中以电磁场或电磁波形式存在的能量，将其转换为直流电作为直接能量来源。
在提升系统集成度与繁芜度方面，可以通过集成多种传感单元和商业化的旗子暗记处理芯片，完善了检测系统的功能，为精确诊断供应了多方面的数据支撑。
而对柔性化学检测器件的研究也取得了一些进展，采取表皮传感器已经实现对表皮汗液的动态采集、丈量和身分剖析，此外，人体内的葡萄糖、病毒细胞、蛋白质和离子等各种生物分子也可以通过电化学丈量、亲和力丈量、荧光等方法实现。

如果将柔性医学检测装置得到的个体康健信息通过手机等移动通信设备上传至云端做事器，不仅有助于中国群体康健大数据库的构建，还能方便病患和年夜夫通过手机随时获取个体康健数据，在个体和医疗机构之间建立更为高效和个性化的闭环医疗网络。
现今中国具有将近14亿人口，手机上网用户数已超11亿，设想个中有2亿人处于这样的闭环网络中，每个人都能方便地获取经由整合与剖析的个人康健信息，及时调度自己的生活习气以改进自身的康健状况，终极整体康健水平得到提升。
（任务编辑 刘志远）

注：本文揭橥在2017年第23期《科技导报》，欢迎关注。