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柔性电子与可穿戴医疗应用发展解析

发布时间:2020-09-28 访问次数:1665次 来源:科钛网 分享:

柔性电子与可穿戴医疗应用发展解析

导语:随着现代科学技术的发展,在信息、新材料、新能源等领域,特别是交叉融合的方向,正涌现出一批具有重大影响,能够改变科技、经济、社会格局的颠覆性技术,能使一个国家在新一轮产业变革中赢得竞争优势。

柔性电子,正是这样一门在学科高度交叉融合基础上产生的颠覆性科学技术,能够突破经典硅基电子学的局限,为后摩尔时代器件设计集成、能源革命、医疗技术变革等更新换代等提供创新引领,是我国自主创新引领未来产业发展的重要战略机遇之一。


柔性电子与脑神经的碰撞:新型柔性导电复合材料

1、柔性电子的起源与发展

柔性电子(Flexible Electronics)又称为塑料电子(Plastic Electronics)、印刷电子(PrintedElectronics)、有机电子(Organic Electronics)、聚合体电子(Polymer Electronics)等;是将有机/无机材料电子器件制作在柔性/可延性塑料或薄金属基板上的新兴电子技术。

作为行业新兴领域,柔性电子技术自面世以来,便受到全世界的广泛关注以及迅速发展。美国《科学》杂志将有机电子技术进展列为2000年世界十大科技成果之一,与人类基因组草图、科隆技术等重大发现并列。美国科学家艾伦黑格、艾伦·马克迪尔米德和日本科学家白川英树由于他们在导电聚合物领域的开创性工作而获得2000年诺贝尔化学奖。

尤其是在最近的10年间,随着柔性电子技术在信息、能源、医疗、制造等各个领域的应用重要性日益凸显,已成为世界多国和跨国企业竞相发展的前沿技术。美国、欧盟、英国、日本等相继制定了柔性电子发展战略并投入大量科研经费,旨在未来的柔性电子研究和产业发展中抢占先机。

柔性电子技术同样引起了我国研究人员的高度关注与重视,在柔性电子有机材料制备、有机电子器件设计与应用等方面开展了大量的基础研究工作,并取得了一定进展。其中,柔性电子技术赋能智慧医疗产业,正是主要趋势。

说明: ef2f457fc83adf0ff823d4cda3df1e58

柔性医疗电子技术分类

2、智慧医疗发展需要柔性技术

事实上,尽管我国智慧医疗建设发展,总体上呈现稳健上升的态势,但是医疗行业的智能化、信息化水平还不够高,医疗资源的整合和共享,难以得到充分的展现。如何通过机器、人工智能以及互联网的优势来帮助医生解决难题,成为当下智慧医疗的建设难点。

特别是,随着中国逐渐步入老龄化社会,对疾病的防治要求已经由“发病时的治疗”转变为“发病前的预防”。为了达到这个目的,需要对居民做大规模和长时间人体生理参数监测,这对当前生理参数采集医疗器械提出了新的要求。只是,就传统的可穿戴设备而言,并无法满足用于健康和医疗监护所需的高精度传感需求。

而柔性电子技术的出现,为可穿戴医疗产品的开发提供了最有效的技术保障,能够实现为用户提供实时诊断、监测、干预一体化的服务,从预防期到整个治疗期及康复期实现贯穿式服务,为用户提供最便捷和切实的移动医疗健康福利。

为此,柔性电子的发展,成为推动了智慧医疗的重要前提。

说明: timg (1)

智慧医疗中体征检测示意图

3、柔性电子在可穿戴医疗设备上的应用

柔性电子器件凭借其优异的适应变形的能力,极大拓展了传统无机电子器件的应用范围, 其中在智慧医疗领域的应用上,以柔性可穿戴或贴合式传感器在实时生理监测等领域的需求最为凸显,对传统的可穿戴医疗设备产生的影响也日益重要。

从技术的特征来看,柔性电子天然就是解决医疗行业痛点的利器。柔性电子的核心技术就是柔性可延展性无机微纳技术。主要是用传统的无机材料对电路板进行一些特殊的结构化设计,使得原本硬质的集成电路,变得轻薄柔软,在柔性材料衬底上,便呈现出柔性电子器件的物理状态,能够做出与人体贴合进行检测的柔性电子器件,这一个特征使得健康监测系统可长期贴附于人体皮肤而不影响人们的日常活动。

市面上,像体温监测仪、心电监测仪以及睡眠监测仪等产品正是采用柔性电子技术,通过内置传感器,精准测量人体的体温、心电以及睡眠数据,从而实现为用户提供诊断、监测、干预一体化的服务。

可以说,通过柔性电子技术打造全新的柔性医疗可穿戴产品,是柔性电子推动智慧医疗持续发展的重要表现。依托柔性电子技术打造的柔性医疗可穿戴设备,将会通过大数据、云计算等技术应用,实时采集大量用户健康数据信息和行为习惯,为后向医疗大数据应用分析提供重要支撑。

说明: timg (2)

智能电子皮肤实现人体生理信号检测

4、应用柔性电子技术的现有产品介绍

事实上,包括智慧医疗领域外内,就现有的柔性电子技术应用产生的产品来看,从传感器、可穿戴设备,再到显示器、照明等领域,柔性电子技术已经出现在许多商业应用中。

下面为部分已经面市的柔性技术产品及应用:


l  加利福尼亚大学圣地亚哥分校的一个研究小组开发了一种可弯曲可拉伸的智能电子绷带,说是绷带,其实更像是一款IC卡大小的芯片,只不过可以随意弯曲,贴在人身上时丝毫不会影响行动,也不会有异物感。这款新的无线可穿戴设备主要是作为生物医学设备,用于监测身体信号,如心脏和大脑活动、温度、呼吸、眼球运动等。

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中美科研人员合作开发的智能电子绷带,图片来源于UC San Diego

l  美国西北大学John A. RogersYonggang Huang课题组联合乔治华盛顿大学Igor R. Efimov课题组报告了将先进的电子功能与导管集成在一起以进行微创心脏外科手术的材料,设备设计和制造方法。通过使用多物理场建模,塑料心脏模型以及Langendorff动物和人类心脏,作者显示出心内膜球囊导管上多层配置的软电子阵列可以与弯曲的组织表面建立共形接触,支持温度,压力和电生理参数的高密度时空映射 并允许进行可编程的电刺激,射频消融和不可逆的电穿孔。将多模式和多路复用功能集成到微创手术器械中可以改善手术性能和患者预后。


l  恩福赛柔性电子推出的智能电子伤口贴,通过弱电流的敷料产生弱电场,当敷料与伤口体液接触就可以启动弱电场,可以同时杀菌又可清除细菌生物膜,有效阻止伤口或组织的感染。能够适应多类型创伤的日常防护,特别适合肿胀部位,也可用于保护开放性损伤, 同时能清除已经侵入伤口的细菌及病毒,同时防止进一步的感染。


l  知名护肤品牌欧莱雅推出的可穿戴传感器My UV Patch,可贴在皮肤上可监测紫外线。My UV Patch主要是通过一些列光敏性燃料进行工作,当其暴露在紫外线中时,颜色会发生变化。用智能手机将手臂上的My UV Patch图片拍下并上传到My UV Patch伴侣应用,该应用可具体分析紫外线强度。


l  荷清柔电瞄准柔性集成电路及芯片、柔性生物电子健康医疗等方向和领域,自主研发了体温监测仪、心电监测仪等一系列医用可穿戴设备。通过该系列医用可穿戴设备,结合其匹配的中央监护整体解决方案,可以实现多人体征(实时)监测、异常数据提示报警、监测分析报告。


结束语:

伴随着柔性电子技术的进一步发展,必然会有越来越多的智能产品将应运而生。正如微电子技术为大规模集成电路和计算机芯片技术提供技术平台一样,柔性电子技术也将为新产品的研发提供了崭新的的技术平台。

设想一下未来的生活,早晨醒来,身上的电子皮肤温柔的将你唤醒,并告诉你昨晚深度睡眠的时间长短,体征数据的具体情况;你可以对着镜子查看今天的日程安排,浏览新闻;上车之后,不再需要低头看手机导航,车窗的玻璃上就有地图显示。

这一切,柔性电子技术在未来都可以帮我们实现。柔性功能材料所具有的光、电、磁、热、力等独特的物理和化学性能,使得柔性电子器件可被广泛用于柔性显示、数据加密、可穿戴感知等智能化电子系统。

因此,柔性电子未来的发展和应用,必然会受到到更多人的关注,最终真正成为我国自主创新引领未来产业发展的重要战略机遇。

参考资料:

1、《经典大放送:十二篇综述带你走进柔性电子领域 》

2、《革命性的电子技术——柔性电子》

3、《柔性电子——转印技术》

4、《黄维院士:奋战“柔性电子”,打造“中国碳谷”》

5、《随着新兴技术的发展 智慧医疗市场需求也在不断増长》

6、《全球智慧医疗产业发展现状》

7、《中商智库:2019年中国智慧医疗行业市场前景研究报告》

8、《智慧医疗的市场前景十分广阔》

9、《柔性电子技术的新突破,柔性射频滤波技术的诞生》

10、《柔性电子:自主创新引领未来的重要战略产业》

11、《 一文读懂柔性电子技术的前世今生》

12、《解析:智慧医疗发展的5大趋势 》


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