新智能传感器减轻伤口监测的痛苦

“我们开发的这一独特传感器材料在健康监测方面具有潜在的重要应用，”宾夕法尼亚州立大学工程科学与力学（ESM）詹姆斯·L·亨德森纪念副教授胡云“拉里”程说，他是发表在《自然通讯》上的研究的共同通讯作者。“通过准确测量伤口愈合产生的温度变化和物理变形或应变，并通过分开这两种信号来测量，这可以彻底改变伤口愈合的跟踪。医生可以更清晰地了解愈合过程，及早识别发炎等问题。”

研究人员旨在使用激光诱导石墨烯（一种二维材料）准确测量温度和应变信号，而不发生交叉干扰。与所有二维材料（包括普通石墨烯）一样，激光诱导石墨烯的厚度仅为一到几层原子，具有独特的特性，但又有些不同。激光诱导石墨烯（LIG）是在激光以某种方式加热某些富含碳的材料（如塑料或木材）时形成的，这种方式将其表面转化为石墨烯结构。激光本质上是将石墨烯“写”到材料上，使其成为一种简单且可扩展的方式，能够为电子设备、传感器和能源设备生产石墨烯图案。

LIG以前在各种应用中使用过。此前，程和他的团队已经使用LIG进行气体传感器、汗液分析的电化学检测器、超级电容器等。然而，研究人员表示，他们相信首次发现LIG的一种新特性，使其成为多功能和精确传感器的理想选择。

“在这项特定研究中，我们偶然发现这种材料还具有热电特性，”程说。“我们相信这是第一次有人报告激光诱导石墨烯具有热电能力。这对我们在这里尝试做的事情非常重要，即分别测量温度变化和物理应变或变形。”

材料中的热电特性是指将温度差转换为电压的能力，反之亦然，这使得这些材料可用于能量采集和温度传感等应用。根据程的说法，这种新识别的LIG热电特性使得分别测量两个传感器的读数变得容易，非常适合健康应用，例如嵌入创可贴中的传感器。

“当你有对温度和应变都敏感的材料时，很难判断哪个信号导致材料变化，”程说。“但是通过使用激光诱导石墨烯中的热电效应，我们可以本质上解耦这两个测量。我们可以查看电阻，以获取有关应变的信息，同时也测量热电压以确定温度。这就是为什么医生可以使用它来跟踪温度波动和伤口部位的物理变化，从而为愈合进程提供更清晰的图像。”

他还指出，传感器具有高度敏感性，可以检测到高达0.5摄氏度的小温度变化。该材料的设计利用了多孔石墨烯和热电元件协同工作的方式，使其在将热量转换为电力方面的效率近乎提高了四倍。该传感器还可以拉伸至45%，并且能够适应不同的形状和表面而不失功能。

“这种材料的多孔结构创造了许多微小的空间和通道，使其能够与周围环境以非常敏感的方式互动，”程说。“这使得它非常适合与人类软组织相接触，与更刚性的热电材料（如基于陶瓷的材料）形成对比。”

由于LIG的热电特性还意味着它可以在存在温度差时产生电力，因此LIG传感器是自供电的。根据程的说法，这对临床环境的连续监测和其他应用（例如帮助检测偏远地区的火灾）特别有用。

除了改进传感器外，团队还在开发一种无线系统，使人们能够远程监测来自传感器的数据。这将使实时跟踪重要信息变得可能，例如温度或应变，使用智能手机或其他设备。

“例如，医生可以远程监测患者的状况，或紧急响应人员可以接收有关危险温度变化的警报，”程说。“这些进展旨在使技术更易于获取和更有效，帮助改善健康监测和日常情况下的安全。”

除了程之外，其他论文作者还包括安坎·达图（Ankan Dutta）、宾夕法尼亚州立大学工程科学与力学的研究生；以及来自河北工业大学的李杨、薛晨、惠张、子涵王、明扬辛、帅杰杜和桂志徐。

国家卫生研究院和美国国家科学基金会资助了这项工作。