可穿戴医疗技术的最新进展与挑战

作者及发表信息
本文由Ali K. Yetisen（德国慕尼黑工业大学、英国伯明翰大学）、Juan Leonardo Martinez-Hurtado（慕尼黑工业大学孵化器）、Barış Ünal（美国Triton Systems公司）、Ali Khademhosseini（加州大学洛杉矶分校）和Haider Butt（英国伯明翰大学）共同撰写，发表于《Advanced Materials》期刊2018年第30卷，文章编号1706910。

主题概述
本文是一篇系统性综述，聚焦于可穿戴医疗设备（wearable medical devices）的技术进展、应用场景及未来挑战。文章涵盖可穿戴设备的传感技术、数据处理、治疗应用及商业化趋势，并讨论了柔性电子、生物传感器、微流控和人工智能算法等技术如何推动该领域发展。

主要观点与论据

1. 可穿戴设备的传感技术与应用

可穿戴设备通过表皮接触、体内接口或纺织品集成等方式，实时监测生理和生化信号。例如：
- 表皮接触设备：如电子纹身（electronic tattoos），采用柔性硅胶基底（杨氏模量≈60 kPa）与皮肤力学兼容，可监测心电图（ECG）、肌电图（EMG）和紫外线暴露。
- 生化传感器：如汗液分析腕带，通过电化学传感器检测葡萄糖、乳酸和电解质（Na⁺、K⁺），数据通过蓝牙传输至智能手机（图2d）。
- 体内接口设备：如牙齿表面抗菌肽功能化石墨烯传感器，可无线检测幽门螺杆菌（检测限≈100细胞）。

支持技术：
- 柔性电子：采用蛇形互联结构（serpentine interconnects）提升拉伸性（应变>30%）。
- 瞬态电子（transient electronics）：可降解材料（如聚乳酸-羟基乙酸共聚物PLGA）用于短期植入设备，溶解后无需取出。

2. 可穿戴设备在治疗中的应用

2.1 药物递送系统
- 机械触发释放：弹性薄膜（如聚二甲基硅氧烷PDMS）通过拉伸微凝胶储库（microgel depots）控制药物（如胰岛素、抗癌药）释放（图5a）。
- 眼部治疗：青光眼治疗隐形眼镜含拉坦前列素（latanoprost）-PLGA薄膜，可持续释放药物1个月（图5c）。

2.2 行为治疗与康复
- 虚拟现实（VR）：头戴式显示器（如Oculus Rift）用于自闭症治疗和疼痛管理。例如，烧伤患者通过VR分散注意力，疼痛评分从“重度”降至“中度”（图6c）。
- 智能手套：如Rapael手套通过惯性传感器监测卒中患者手部运动，提升康复训练效果（图6b）。

3. 数据管理与安全性挑战

• 低功耗通信：蓝牙低能耗（BLE）和体域网（Body Area Networks）减少能耗，但需解决与Wi-Fi的频段干扰。
  
• 数据安全：轻量级加密协议（如物理不可克隆函数PUF）保护患者隐私，防止黑客攻击（如胰岛素泵篡改风险）。
  

4. 未来技术瓶颈

• 能源效率：需开发自供电技术（如压电能量收集）。
  
• 生物相容性：长期佩戴可能导致接触性皮炎，需采用手术级不锈钢等低致敏材料。
  
• 闭环系统（closed-loop systems）：当前多数设备缺乏实时反馈，如血糖监测与胰岛素泵的联动仍需优化。
  

论文价值与意义

1. 学术价值：系统梳理了可穿戴医疗技术的多学科交叉进展，包括材料科学、微流控和人工智能。
   
2. 应用前景：为慢性病管理（糖尿病、青光眼）、康复医学和精神健康提供了创新解决方案。
   
3. 行业影响：指出商业化瓶颈（如传感器校准、数据安全），推动产学研合作。
   

亮点
- 技术整合：首次将柔性电子、瞬态材料和VR治疗纳入统一框架讨论。
- 临床转化：列举多项已上市产品（如Dexcom G5血糖监测系统、Sensimed Triggerfish眼压传感器），验证技术可行性。

本文为可穿戴医疗技术的研发者和临床工作者提供了全面的技术路线图，同时强调了跨学科协作在解决现存挑战中的重要性。