糖尿病是生活中常見的一種慢性病,其特征是血液中存在高濃度的葡萄糖。血糖濃度過高會導致代謝紊亂,并衍生一系列的并發(fā)癥,嚴重降低了患者的生活質(zhì)量,病情發(fā)展嚴重還會導致殘疾甚至死亡。隨著智能終端和移動互聯(lián)網(wǎng)的普及,柔性電子產(chǎn)品因為具有質(zhì)量輕、可拉伸和延展性好等獨特的優(yōu)勢,近年來逐漸進入人們的日常生活,并被應用在醫(yī)療設施中,尤其是在對慢性疾病如糖尿病的診斷、治療和護理等方面展現(xiàn)出極大的應用潛力。糖尿病患者需要定期檢測血液中的葡萄糖水平,長期使用相關藥物進行治療與控制,由糖尿病引起的各種并發(fā)癥也需要長期進行監(jiān)控和護理。傳統(tǒng)的糖尿病診斷方法形式單一,不能連續(xù)、實時地檢測血液中的葡萄糖水平,會對患者造成創(chuàng)傷或延誤患者最佳治療時間。此外,對糖尿病患者的后期護理機制不健全,加上目前的護理設備相對落后,導致患者病情迅速發(fā)展。柔性電子通過結合傳感器技術集成為可穿戴柔性電子設備,能夠連續(xù)、實時地以無創(chuàng)或微創(chuàng)的形式來檢測體內(nèi)葡萄糖水平�？纱┐魅嵝噪娮釉O備通過集成給藥裝置和無線通信設備,可以智能化地控制藥物劑量以及給藥治療,并對糖尿病患者進行健康監(jiān)測和運動輔助。因此,可穿戴柔性電子設備的出現(xiàn)為糖尿病的診斷、治療和護理提供了新的途徑,成為糖尿病個體化管理最理想的平臺。本文綜述了近幾年來可穿戴柔性電子設備在糖尿病診斷、治療和護理中的應用和進展,分析了可穿戴柔性電子設備發(fā)展過程中所面臨的挑戰(zhàn)以及潛在的應用前景。
【部分圖文】：

糖尿病足(Diabetic foot,DF)是糖尿病最常見的慢性并發(fā)癥之一。糖尿病患者由于機體內(nèi)長期高血糖水平導致了周圍神經(jīng)系統(tǒng)損傷和血管病變造成感覺喪失及血液循環(huán)不暢，而腳部不敏感往往會使患者行走方式異常，造成足部畸形及足底異常的力學負荷，以上多種病理學因素最終造成糖尿病足潰瘍的形成[44]。更為嚴重的是，糖尿病足潰瘍大都伴隨著病原體感染，這使傷口更加難以愈合，糖尿病足部感染的發(fā)生顯著增加了患者截肢的風險。目前對糖尿病足的感染主要實施抗生素治療，由于糖尿病患者免疫功能低下，糖尿病足病程往往較長，而病原菌的耐藥性問題極大限制了抗生素類藥物的長期應用。水凝膠是由親水性聚合物通過物理或化學交聯(lián)作用形成的三維網(wǎng)狀材料，具有優(yōu)異的生物相容性、柔韌性、藥物負載及釋放能力，成為制備傷口敷料的理想材料[45]，具有抗菌功能的水凝膠也成為生物醫(yī)學研究的焦點[46]。以抗菌水凝膠為基底制備的柔性電子器件可以實現(xiàn)智能化的糖尿病足治療。Lin等使用聚多巴胺包覆的銀納米粒子、聚苯胺(Polyaniline,PANI)以及聚乙烯醇(Polyvinyl alcohol,PVA)制備了一種多功能導電聚合物基水凝膠PDA@Ag NPs/CPHs用于糖尿病足的治療(圖3a)[47]。通過低溫誘導PVA的結晶形成物理交聯(lián)，為該水凝膠賦予良好的力學性能。PDA@Ag NPs/CPHs還具有良好的成型加工性、可調(diào)控的彈性模量以及優(yōu)異的自愈合特性，同時還具有良好的生物相容性和抗菌性能。當水凝膠附著在潮濕且潰爛的傷口表面后，可以通過促進血管生成、加速膠原蛋白沉積、抑制細菌生長和控制傷口感染來有效地加速傷口愈合，展現(xiàn)出對糖尿病足感染治療的巨大應用潛力(圖3c)。該水凝膠還可以直接粘附在皮膚表面，作為表皮應力傳感器實時監(jiān)測糖尿病足患者的運動行為(圖3b)。3 柔性電子與糖尿病的護理

Kim等集成了一種可穿戴汗液檢測手環(huán)[52-53]，該手環(huán)可實現(xiàn)高效的汗液收集，進行精確的汗液化學分析。手環(huán)由汗液分析條和傳感器組成，汗液分析條設計為多層結構，由葡萄糖傳感帶、隔離層、防水層、汗液條和氫致變色層組成(圖5a)。其中隔離層和防水層可以控制汗液吸收量。葡萄糖傳感帶放置在隔離層的中心，有助于汗液在底部有效積聚。葡萄糖傳感器由三個碳工作電極(Working electrodes,WE)和兩個Ag/Ag Cl參比電極(Reference electrodes,RE)組成，使用多個電極可確保傳感器的精確度。傳感器和氫致變色(Hydrochromic,HC)層之間的縫隙形成流體通道可允許汗液通過(圖5b)，氫致變色層與汗液接觸后會變透明，可以作為汗液收集的視覺指示器。收集到汗液時，WE和RE之間會產(chǎn)生電位差。引入分析物葡萄糖時，WE和RE之間的電位差會發(fā)生改變。汗液條收集好汗液之后，將其插入配備的智能手環(huán)中進行測量。圖5c為手環(huán)內(nèi)部電子組件的簡化示意圖，三個工作電極(W1—W3)連接到復用器，兩個參比電極分別接地和波分復用器，用于葡萄糖傳感器連續(xù)尋址。阻抗放大器將傳感器測得的電流進行放大便于采集，低通濾波器用于消除測量時產(chǎn)生的噪音以便得到穩(wěn)定的信號，微控制器單元中的數(shù)模轉(zhuǎn)換器將模擬信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號。溫度傳感器通過分壓電路連接到控制單元，實時監(jiān)測人體溫度。光電探測器和LED連接到模擬前置芯片作為監(jiān)測的指示器。最后，微控制器單元配備加速器，將采集到的原始數(shù)據(jù)通過藍牙發(fā)送到外部移動設備。圖5d是進行汗液測量的方法示意圖，首先，使用者將汗液條貼在額頭皮膚上，并佩戴智能手環(huán)傳感器，當汗液條收集到聚集的汗液后，將其插入到智能手環(huán)的連接端口以進行汗液測量。圖5e展示了溫度傳感器電阻響應和葡萄糖傳感器的電流響應，曲線顯示三個獨立傳感器能對汗液中的葡萄糖進行快速響應，并且經(jīng)過一定時間后測得的電流響應大小趨于穩(wěn)定值。這種智能手環(huán)具備輕薄、耐用和配戴舒適的特點，手環(huán)可長期佩戴在患者手腕上，操作簡單并且可以隨時監(jiān)測患者體內(nèi)的葡萄糖濃度。圖5(a)一次性汗液分析條的結構示意圖[52];(b)一次性汗液分析條的光學相機圖像(左)，葡萄糖傳感器放大圖(右上方)以及汗液條的側視圖(右下方)[52];(c)內(nèi)部電極組件的集成連接示意圖[52];(d)光學相機圖像的測量步驟:ⅰ，將汗液條貼在額頭皮膚上;ⅱ，佩戴智能手環(huán);ⅲ，汗液產(chǎn)生;ⅳ，將汗液條插入智能手環(huán)測量汗液葡萄糖[52];(e)溫度傳感器的電阻響應(頂部)和葡萄糖傳感器的電流響應(底部)[52]

圖4(a)隱形眼鏡生物傳感器的制備方法:(Ⅰ)在PDMS膜上形成柔性電極，(Ⅱ)將柔性電極粘合到隱形眼鏡表面[51];(b)用隱形眼鏡生物傳感器和商業(yè)血糖監(jiān)測試劑盒測量淚液中的葡萄糖[51];(c)淚液和血液中的葡萄糖水平隨時間的變化[51]糖尿病足患者因末端運動神經(jīng)發(fā)生病變而引發(fā)足底壓力負荷分布不良，導致在日常行走時，足底一些骨突出部位如拇指、跖骨頭和腳跟等產(chǎn)生壓力峰值的部位容易受到傷害。同時，糖尿病患者傷口愈合速度較慢，而且容易造成細菌感染，使沒有得到長久護理的糖尿病足患者的病情日益嚴重，并最終導致截肢。因此，開發(fā)能夠?qū)崟r測量足底應力分布的柔性電子器件可以實現(xiàn)對糖尿病足患者的有效護理[54-55]。Rajala等報道了一種基于壓電聚合物聚偏二氟乙烯(Polyvinylidene fluoride,PVDF)薄膜的鞋內(nèi)傳感器，并將其用于足底壓力分布測量[56]。如圖6a所示，Rajala等在PVDF制備的鞋墊基板上選取了拇指(HALLUX)、跖骨頭(MTH1A、MTH1B、MTH2-5)和腳跟(HEEL)這幾個產(chǎn)生壓力峰值的部位作為獨立傳感器放置的位置，然后使用模板(圖6b)在基底上沉積了一層聚對苯二甲酸乙二酯(Polyethylene terephthalate,PET)保護的銅電極層，最后用導線將感應位置與外部檢測裝置連接。外部檢測裝置集成了放大器和模數(shù)轉(zhuǎn)換器，可對壓力變化產(chǎn)生的電信號進行放大和采集(圖6c)。實驗使用產(chǎn)生動態(tài)激勵力的振動器對八個獨立傳感器施加壓力來檢測和校準傳感器的靈敏度，通過標準曲線的繪制計算足底壓力的大小。如圖6d所示，實驗測試了步行時八個獨立傳感器所測得的壓力數(shù)據(jù)，在各個測量點分別測得的壓力隨時間變化的趨勢不同，證明了八個傳感器能夠獨立地對各個測量點進行壓力檢測。圖6e展示了五次實驗所得的壓力隨時間變化的曲線，可以看出各個測量點每次檢測到的壓力隨時間的變化趨勢一致，產(chǎn)生的壓力峰值大小幾乎一樣，說明傳感器進行多次測量具有良好的穩(wěn)定性。用PVDF作為傳感器的基底材料，具有易形變和輕薄的特點，根據(jù)患者的足底生理結構進行鞋墊定制，可提高穿戴舒適性。通過無線技術將傳感器集成到鞋墊內(nèi)，可對患者進行實時足底壓力監(jiān)測并使足底壓力得到均勻分配，使足部末梢循環(huán)暢通。
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