石墨烯應力傳感器在健康監測中的應用研究進展

朱可石 邢家瑋 陳思思 許慧

摘要：人體生理數據的數字化實時監測及大數據分析對預防及診治疾病具有重要意義，新型石墨烯傳感器由于其優異性能在醫用傳感器的研究中占主導地位。石墨烯應力傳感器靈敏度高、延展性好、壽命長，且經不同設計后具有多種檢測功能，因此具有極大的醫學應用前景。本文介紹具有代表性的部分醫用傳感器，并對其在人體健康監測方面的應用潛力進行評價。

關鍵詞：人體監測;石墨烯傳感器;大數據;智能醫療

隨著社會醫療保健水平的不斷提升，人們越來越希望實現對自身生理數據的實時監測，以期做到對疾病的早發現，早治療。電子皮膚[1]、可穿戴設備[2]等柔性傳感器的發展為實現這一期望帶來了極大可能。石墨烯作為一種性能優異[3]的新型材料，被廣泛應用于柔性傳感器的制備。石墨烯傳感器常用于生理信號監測[4]，動作監測及聾啞人輔助發音等方面[5-6]，其中，壓阻型傳感器由于其突出性能在研究中是占主導地位[7]。此類傳感器由活性功能材料（石墨烯）、柔性基底及電極耦合構成，復合結構具有優異的可拉伸性，可以滿足柔性傳感器需求。然而，二維石墨烯層伸縮性能有限[8]，無法適應醫療級別傳感器對精細應力的感知需要。因此，通過不同方案設計來進行優化顯得尤為重要。近年來，基于不同設計的石墨烯傳感器不斷涌現，本文對部分有代表性的方案進行介紹，并對他們在醫療領域的應用做出展望。

1圖案化褶皺設計

柔性基底與石墨烯形成褶皺網絡的設計，能夠極大提升傳感器延展性和靈敏度。在受到應力時，石墨烯褶皺結構在微觀范圍下形變范圍大，電阻變化率高，更為出色可拉伸性及靈敏度可以賦予了傳感器優異的性能。Chang[9]等人通過模擬沙皮狗皮膚的多維度皺褶紋路，使用還原氧化石墨烯（RGO）電極進行仿生設計，制備了一種抗伸縮性表皮壓力傳感器。該傳感器在伸縮測試中顯現出穩定的電阻變化和較高的拉伸性能，并在外科機器人壓力傳感器上得到成功應用。Chun[10]等人在聚二甲基硅氧烷（PDMS）上制備的單層石墨烯薄膜并復合緊密排列微柱，并構建了蛙腳墊樣高靈敏度傳感器。其在低壓范圍內，比傳統傳感器靈敏度高出約10倍。并且樹蛙腳墊樣的六角形結構使傳感器能夠在皮膚表面緊密粘貼，這為可穿戴的電子設備的設計提供了新的思路。除此之外，Wei等[11]使用激光刻劃石墨烯的多層石墨烯表皮電子皮膚，它美觀度、靈敏度和穩定性優異，并能在穩定附著于人體，可在未來應用于脈搏等生理信號的監測與識別。Pang等[12]通過磨料紙模板和還原石墨烯的組合，制備具有隨機分布的棘狀微結構的傳感器。棘狀尖銳結構在施加的小作用力時接觸面積急劇增加，極大提高了感應靈敏度。該傳感器耐用性及透氣性良好，可應用于如脈搏、呼吸等的生理狀態的監測。

2接觸式結構

圖案化褶皺設計的傳感器相對傳統的傳感器來說靈敏度已經有了很大提升[17-18]，但微結構通常由相對昂貴且易受損壞的硅微模具[13-15]或生物材料[16]制成。另外，這些微結構面對面壓阻式傳感器往往表現出一個狹窄的傳感范圍，不太適合涉及人體生理學的應用。因此，接觸式結構設計逐漸成為了研究的熱點。張華[19]提出了一種雙層接觸結構傳感器，利用接觸部分面積穩定變化的特性提高應變范圍。傳感器由上下兩層獨立石墨烯條帶構成，每層的石墨烯條帶的做法是通過激光直寫技術直接將石墨烯圖形化為梳狀結構，將二者相對交叉安置，并用 PDMS 進行二次封裝。該方案減少了激光直寫法對應變范圍測量的影響。測試結果表明，傳感器在應變下性能穩定，響應速度較快，適用于皮膚表面微小應變信號的監測。

Tian等[20]受豆莢結構的啟發，提出了一種由聚苯乙烯（PS）微球組成的微球芯層夾在兩層激光誘導石墨烯/聚氨酯（LIG/PU）薄膜之間的傳感器結構。該柔性壓力傳感器具有自修復特性，在室溫下進行三次切割-修復循環后，嚴重損壞的設備可以自我修復，并且能夠保持高靈敏度、良好的線性度、高達100kpa的傳感范圍和良好的穩定性。該傳感器已在人體動脈脈搏監測和步態檢測等嚴格應用中得到進一步驗證。這種新穎的設備結構使其易于制造和高性能，為可擴展生產用于人體生理診斷和其他高級可穿戴應用的壓力傳感器鋪平了道路。

3碎片化結構

石墨烯碎片導電機制中，正常狀態的石墨烯碎片呈自由分布。在受到外界壓力下，碎片之間的接觸面積發生變化，導致電阻變化。然而，在施加小應力情況下，接觸部分較難產生相對滑動，所以傳感器對小應力的探測仍有限，因此，科研工作者對碎片化結構做出了相應的優化。

文獻[19]報道了一種基于納米小球復合石墨烯的柔性應力傳感器。聚苯乙烯（PS）納米小球復合加入后，原本緊密接觸的石墨烯碎片變得疏松，水平方向上的碎片間接觸面積減少，石墨烯碎片與PS納米小球的結合力也更小，接觸部分更易在受力下產生相對滑動，產生更大的電阻的變化幅度。垂直方向上，原本自由沉積后堆疊的石墨烯層被絕緣球體撐開，層間接觸部分的電阻所占比例提高，在施加應力時石墨烯層間接觸部分會在表面正應力的作用下產生相對滑動，對石墨烯的導電通道造成很大影響，從而使得石墨烯傳感器的靈敏度大幅提高。

多孔活性材料由于其固有的整體三維網絡結構完好，不能發生很大的變化。因此，大多數壓阻型傳感器的靈敏度低，無法在低壓力環境中進行檢測。為了克服這些缺點，Yang等[21]基于此設計了一種剪切碎片式石墨烯氣凝膠（CGA）的傳感器。該CGA應力傳感器的電流變化率及低壓下靈敏度比未剪切的CGA傳感器提高了約10倍。該傳感器循環穩定性優良，經4200次循環后仍保持穩定。此外，CGA還能檢測到人類手腕脈沖中的微弱信號，遠遠超出了普通傳感器的檢測能力。這種方法可以大大提高基于多孔材料和彈性材料的傳感器的性能，未來有望應用于高性能醫療傳感器的制備。

4無線傳感器

單個傳感器的多功能化十分有限，要做到能夠檢測復雜生理數據就必須依靠集成技術。然而，在單元陣列擴展時獨立傳感單元間的連線復雜且分辨率低，難以應用于生理數據的大量傳輸。為了解決這個問題，Inoue等[22]提出了一種由石墨烯片和發射線圈與PDMS管集成的無線壓力傳感器。利用電磁效應，外部接收器線圈與體內線圈電磁耦合，無線監控管內壓力。經無線壓力測試后研究人員發現，可以通過增加接收線圈、N和重疊線圈的匝數實現高精度的血壓測量。另外，該傳感器可以通過調整尺寸改變靈敏度，具有良好通用性，可以在未來得到了廣泛的應用。然而，植入血管后，傳感器對人體的安全性叩需進一步探究。

Kou[23]等提出了提出了一種基于石墨烯/PDMS（GR/PDMS）海綿作為介電層的無線柔性壓力傳感器。將GR/PDMS海綿置于圖案化的柔性電路中，便可通過電容效應獲得了無線壓力傳感器。當外部壓力作用于傳感器時，GR/PDMS海綿被壓縮，顆粒間間距減小，總電容隨并聯電容器數量的增加而增大。經測試，該傳感器工作范圍大、響應快、靈敏度高，性能十分優異。此外，研究人員通過繪制曲指和面部表情肌運動的電容和頻率響應曲線，驗證了所制無線壓力傳感器的實用性。該傳感器具有成本低、測試簡單、穩定性高、無電池等優點，適用于智能機器人、仿生電子皮膚等無線檢測設備中，具有廣泛的應用前景。

5展望

綜上所訴，近期開發的新型感受器較傳統感受器具有更好的物化生物性能，有望在未來發展成為具有超高性能的智能醫療監測設備。然而，當下新型傳感器普遍存在能耗大、延展性差、功能化單一及易受干擾的問題，阻礙了醫用監測設備的臨床使用。我們相信，當這些問題得到解決時，石墨烯感受器就可以成為下一代智能化醫療監測及手術輔助設備的關鍵。

參考文獻

[1] 張華. 基于石墨烯的柔性應力傳感器制備與性能研究[D].電子科技大學，2018.

作者簡介 第一作者：朱可石（1999～），男，江蘇南京人，學士在讀，從事組織工程研究。