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可穿戴传感器的增材制造技术普及

2024-05-15 来源:elecfans

临床医学的不断发展,推动着21世纪医学模式由传统的经验医学向新型的循证医学模式转变,并且这种新模式已被证明是改善患者健康结果的关键。然而,尽管我们在提高医疗保健质量方面取得了不可否认的进展,但是,先进医疗服务的普及仍然存在差距,非常有必要在不同人群和环境中继续努力实现公平的医疗分配,普及最先进的医疗干预措施。


医疗保健服务的不平等表现在许多方面,例如先进的技术、重要健康信息以及医疗专业知识等。虽然医疗保健政策的进步和保险覆盖的扩大,在一定程度上改善了人们获得医疗护理服务的机会和途径,但这些措施不足以弥合城市中心与偏远或农村地区之间,以及种族、民族、性别等方面的差距。此前的新冠疫情深刻地提醒了我们,现有医疗干预措施的质量与健康结果有着内在的联系,而缺乏一流的医疗技术会深刻影响弱势群体的福祉。


最近兴起的新型可穿戴传感器标志着生理监测的范式转变,为解决医疗保健领域的一些普遍挑战提供了重大机遇。凭借材料科学、化学、工程以及柔性器件领域的最新进展,这些可穿戴传感平台可与人体曲面保持紧密接触,记录与健康状况评估相关的生理和生物化学信号。


医疗保健监测的传统临床方法主要是在特定场所,利用高成本的大型监测设备进行间歇数据的收集。这种方法在连续且全面采集个人健康状况的画像方面存在固有局限性。相比之下,结合多参数测量、智能手机利用以及低功耗无线通信的可穿戴系统,能够将临床级健康监测扩展到更广泛的应用场景。


具有临床级监测功能的可穿戴传感器,它们的广泛应用将对超越地理、经济和资源限制,缓解尖端医疗保健服务差异,以及利用实时生理数据在健康生活和疾病早期的积极干预方面产生深远影响。然而,由于高投入的制造方法以及对人员的培训需求,使这些传感器的使用对于偏远地区和农村地区等资源匮乏的人们来说仍然存在相当大的障碍。这些平台的原型制作需要复杂、耗时且昂贵的制造方法、专业设施(如洁净室),以及高技能的技术人员。

柔性电子产品的丝网印刷等方法提供了一种有潜力的低成本制造策略,但由于分辨率、材料选择以及与成熟电子制造方法相比较差的性能,带来了额外的挑战。因此,亟需开发一种适用于小型化原型制造方法的先进制造技术。

增材制造(AM),通常也被称为3D打印,代表了一种开创性的制造方法,其特征是精确定制的几何形状、特性和功能,为制造定制的物理对象提供了无与伦比的机遇。增材制造利用计算机辅助设计(CAD)软件创建数字模型,经3D打印机逐层构建一系列2D横截面,最终转换为物理对象。增材制造已成为一种特别有前景的制造解决方案,能够有效解决可穿戴平台原型制作的现有障碍,推动最先进医疗保健技术的广泛普及。

增材制造技术的潜力在于能够从庞大的材料库快速生产复杂、可定制的结构,从而简化原型制作过程,加快特定应用可穿戴传感器的开发。此外,增材制造还不需要专业的制造基础设施和熟练专业技术人员,从而降低了开发及生产可穿戴平台的进入壁垒。通过增材制造实现可穿戴传感器原型设计和制造过程的大众化,不仅可以降低门槛促进创新,还为人们提供了一条更广泛获取先进医疗保健技术的新途径。

据麦姆斯咨询介绍,美国夏威夷大学机械工程系的研究人员在Advanced Sensor Research期刊上发表了一篇题为“Emerging Additive Manufacturing Methods for Wearable Sensors: Opportunities to Expand Access to Personalized Health Monitoring”的综述文章。这篇综述探讨了可穿戴传感平台增材制造的最新进展,这一新兴应用领域正在打印方法、材料化学和潜在应用方面经历快速、持续的技术进步。研究人员认为,相比增材制造对芯片实验室(lab-on-chip)诊断的变革性影响,增材制造在可穿戴传感器领域也具有类似的潜力。

最近,已有一系列综述研究了可穿戴传感器在形状尺寸、传感方法、制造方法、材料系统以及应用等方面的进展,还有研究人员聚焦了增材制造在方法、材料、一般应用和挑战方面的进步。相比之下,这篇综述考察了可穿戴传感器和增材制造技术之间相对较少涉足的交叉点,重点介绍了主要通过增材制造方法制造的可穿戴传感器。

具体来说,这篇综述介绍了增材制造领域通过构建可穿戴传感平台来推动先进诊断技术普及的现状、优势、挑战和机遇。文章开篇重点介绍了与可穿戴传感平台相关的增材制造工艺,以及成功应用每种增材制造方法的注意事项。接下来,文章重点介绍了通过增材制造构建可穿戴传感平台的代表性示例,并按主要的目标生理/生化信号进行了分类。该综述最后讨论了增材制造在可穿戴传感器制造方面的总体前景和实用性,特别强调了进一步扩大尖端医疗保健技术普及的重要机遇。

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制造可穿戴器件的主要增材制造技术示意图

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增材制造可穿戴传感器示例

展望未来,要充分发挥增材制造在构建完全集成、定制化可穿戴系统方面的潜力,需要学术界、工业界和医学界等各个领域的持续合作。感测各种目标分析物需要专门设计的可打印油墨,可打印材料的实质创新,对于扩大功能性、生物相容性打印油墨库至关重要。增材制造工艺需要进一步改善,以提高分辨率、速度和可扩展性,同时保持打印质量。利用人工智能(AI)和机器学习革命所带来的创新,通过对生物信号进行快速、实时处理和解译,以实现人体分析的新方法,对于推进增材制造可穿戴传感器的开发至关重要。

此外,人工智能算法为加速器件设计、增材制造参数以及材料创新优化提供了绝佳机遇,以实现更快速的平台开发。将异构打印组件无缝集成到统一平台,对于个体设备生态系统内的集成,以实现实时个性化健康监测至关重要。这种协同创新,将使增材制造成为开发并制造下一代个性化可穿戴传感器的变革性方法。


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