可穿戴傳感器的增材制造技術(shù)普及

臨床醫(yī)學的不斷發(fā)展，推動著21世紀醫(yī)學模式由傳統(tǒng)的經(jīng)驗醫(yī)學向新型的循證醫(yī)學模式轉(zhuǎn)變，并且這種新模式已被證明是改善患者健康結(jié)果的關(guān)鍵。然而，盡管我們在提高醫(yī)療保健質(zhì)量方面取得了不可否認的進展，但是，先進醫(yī)療服務(wù)的普及仍然存在差距，非常有必要在不同人群和環(huán)境中繼續(xù)努力實現(xiàn)公平的醫(yī)療分配，普及最先進的醫(yī)療干預措施。

醫(yī)療保健服務(wù)的不平等表現(xiàn)在許多方面，例如先進的技術(shù)、重要健康信息以及醫(yī)療專業(yè)知識等。雖然醫(yī)療保健政策的進步和保險覆蓋的擴大，在一定程度上改善了人們獲得醫(yī)療護理服務(wù)的機會和途徑，但這些措施不足以彌合城市中心與偏遠或農(nóng)村地區(qū)之間，以及種族、民族、性別等方面的差距。此前的新冠疫情深刻地提醒了我們，現(xiàn)有醫(yī)療干預措施的質(zhì)量與健康結(jié)果有著內(nèi)在的聯(lián)系，而缺乏一流的醫(yī)療技術(shù)會深刻影響弱勢群體的福祉。

最近興起的新型可穿戴傳感器標志著生理監(jiān)測的范式轉(zhuǎn)變，為解決醫(yī)療保健領(lǐng)域的一些普遍挑戰(zhàn)提供了重大機遇。憑借材料科學、化學、工程以及柔性器件領(lǐng)域的最新進展，這些可穿戴傳感平臺可與人體曲面保持緊密接觸，記錄與健康狀況評估相關(guān)的生理和生物化學信號。

醫(yī)療保健監(jiān)測的傳統(tǒng)臨床方法主要是在特定場所，利用高成本的大型監(jiān)測設(shè)備進行間歇數(shù)據(jù)的收集。這種方法在連續(xù)且全面采集個人健康狀況的畫像方面存在固有局限性。相比之下，結(jié)合多參數(shù)測量、智能手機利用以及低功耗無線通信的可穿戴系統(tǒng)，能夠?qū)⑴R床級健康監(jiān)測擴展到更廣泛的應(yīng)用場景。

具有臨床級監(jiān)測功能的可穿戴傳感器，它們的廣泛應(yīng)用將對超越地理、經(jīng)濟和資源限制，緩解尖端醫(yī)療保健服務(wù)差異，以及利用實時生理數(shù)據(jù)在健康生活和疾病早期的積極干預方面產(chǎn)生深遠影響。然而，由于高投入的制造方法以及對人員的培訓需求，使這些傳感器的使用對于偏遠地區(qū)和農(nóng)村地區(qū)等資源匱乏的人們來說仍然存在相當大的障礙。這些平臺的原型制作需要復雜、耗時且昂貴的制造方法、專業(yè)設(shè)施（如潔凈室），以及高技能的技術(shù)人員。

柔性電子產(chǎn)品的絲網(wǎng)印刷等方法提供了一種有潛力的低成本制造策略，但由于分辨率、材料選擇以及與成熟電子制造方法相比較差的性能，帶來了額外的挑戰(zhàn)。因此，亟需開發(fā)一種適用于小型化原型制造方法的先進制造技術(shù)。

增材制造（AM），通常也被稱為3D打印，代表了一種開創(chuàng)性的制造方法，其特征是精確定制的幾何形狀、特性和功能，為制造定制的物理對象提供了無與倫比的機遇。增材制造利用計算機輔助設(shè)計（CAD）軟件創(chuàng)建數(shù)字模型，經(jīng)3D打印機逐層構(gòu)建一系列2D橫截面，最終轉(zhuǎn)換為物理對象。增材制造已成為一種特別有前景的制造解決方案，能夠有效解決可穿戴平臺原型制作的現(xiàn)有障礙，推動最先進醫(yī)療保健技術(shù)的廣泛普及。

增材制造技術(shù)的潛力在于能夠從龐大的材料庫快速生產(chǎn)復雜、可定制的結(jié)構(gòu)，從而簡化原型制作過程，加快特定應(yīng)用可穿戴傳感器的開發(fā)。此外，增材制造還不需要專業(yè)的制造基礎(chǔ)設(shè)施和熟練專業(yè)技術(shù)人員，從而降低了開發(fā)及生產(chǎn)可穿戴平臺的進入壁壘。通過增材制造實現(xiàn)可穿戴傳感器原型設(shè)計和制造過程的大眾化，不僅可以降低門檻促進創(chuàng)新，還為人們提供了一條更廣泛獲取先進醫(yī)療保健技術(shù)的新途徑。

據(jù)麥姆斯咨詢介紹，美國夏威夷大學機械工程系的研究人員在Advanced Sensor Research期刊上發(fā)表了一篇題為“Emerging Additive Manufacturing Methods for Wearable Sensors: Opportunities to Expand Access to Personalized Health Monitoring”的綜述文章。這篇綜述探討了可穿戴傳感平臺增材制造的最新進展，這一新興應(yīng)用領(lǐng)域正在打印方法、材料化學和潛在應(yīng)用方面經(jīng)歷快速、持續(xù)的技術(shù)進步。研究人員認為，相比增材制造對芯片實驗室（lab-on-chip）診斷的變革性影響，增材制造在可穿戴傳感器領(lǐng)域也具有類似的潛力。

最近，已有一系列綜述研究了可穿戴傳感器在形狀尺寸、傳感方法、制造方法、材料系統(tǒng)以及應(yīng)用等方面的進展，還有研究人員聚焦了增材制造在方法、材料、一般應(yīng)用和挑戰(zhàn)方面的進步。相比之下，這篇綜述考察了可穿戴傳感器和增材制造技術(shù)之間相對較少涉足的交叉點，重點介紹了主要通過增材制造方法制造的可穿戴傳感器。

具體來說，這篇綜述介紹了增材制造領(lǐng)域通過構(gòu)建可穿戴傳感平臺來推動先進診斷技術(shù)普及的現(xiàn)狀、優(yōu)勢、挑戰(zhàn)和機遇。文章開篇重點介紹了與可穿戴傳感平臺相關(guān)的增材制造工藝，以及成功應(yīng)用每種增材制造方法的注意事項。接下來，文章重點介紹了通過增材制造構(gòu)建可穿戴傳感平臺的代表性示例，并按主要的目標生理/生化信號進行了分類。該綜述最后討論了增材制造在可穿戴傳感器制造方面的總體前景和實用性，特別強調(diào)了進一步擴大尖端醫(yī)療保健技術(shù)普及的重要機遇。

制造可穿戴器件的主要增材制造技術(shù)示意圖

增材制造可穿戴傳感器示例

展望未來，要充分發(fā)揮增材制造在構(gòu)建完全集成、定制化可穿戴系統(tǒng)方面的潛力，需要學術(shù)界、工業(yè)界和醫(yī)學界等各個領(lǐng)域的持續(xù)合作。感測各種目標分析物需要專門設(shè)計的可打印油墨，可打印材料的實質(zhì)創(chuàng)新，對于擴大功能性、生物相容性打印油墨庫至關(guān)重要。增材制造工藝需要進一步改善，以提高分辨率、速度和可擴展性，同時保持打印質(zhì)量。利用人工智能（AI）和機器學習革命所帶來的創(chuàng)新，通過對生物信號進行快速、實時處理和解譯，以實現(xiàn)人體分析的新方法，對于推進增材制造可穿戴傳感器的開發(fā)至關(guān)重要。

此外，人工智能算法為加速器件設(shè)計、增材制造參數(shù)以及材料創(chuàng)新優(yōu)化提供了絕佳機遇，以實現(xiàn)更快速的平臺開發(fā)。將異構(gòu)打印組件無縫集成到統(tǒng)一平臺，對于個體設(shè)備生態(tài)系統(tǒng)內(nèi)的集成，以實現(xiàn)實時個性化健康監(jiān)測至關(guān)重要。這種協(xié)同創(chuàng)新，將使增材制造成為開發(fā)并制造下一代個性化可穿戴傳感器的變革性方法。

審核編輯：黃飛

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