Wearable Electronics for Precision Diagnosis through Advanced Manufacturing and Integration

Xia Gong†, Ying Zheng†, Xuyin Ding†, Jie Gao, Bolang Cheng, Xinyi Shao, Jian Li, Lelun Jiang, Hossam Haick*, Jian Yang*

Nano-Micro Letters (2027)19: 22

https://doi.org/10.1007/s40820-026-02311-8

本文亮点

1. 系统总结了电学、电化学、晶体管和光学等可穿戴生物传感策略，并讨论人工智能在多模态信号处理、异常识别和个体化精准诊断中的作用。 

2. 全面梳理了涂覆、印刷、三维打印、静电纺丝、光刻和激光直写等先进制造方法，以及软硬界面、三维集成和全柔性电子等异质集成策略。 

3. 展示了可穿戴诊断系统在神经、心血管、呼吸、眼科、肌肉骨骼、皮肤与伤口、肿瘤、糖尿病及炎症免疫等疾病中的应用潜力。 

4. 提出了可穿戴电子实现精准诊断所需满足的关键条件，包括分析可靠性、长期稳定性、多模态可解释性、个体化基线构建及临床和监管验证。

研究背景

全球慢性疾病负担持续加重，人口老龄化不断加速，而不同地区在疾病筛查、诊断、治疗及长期管理方面仍存在明显差异。传统医疗模式主要依赖医院或实验室中的单次检测，所获得的“快照式”数据难以反映人体生理状态的持续波动，也无法充分捕捉短暂出现的异常信号、个体差异以及疾病早期变化。因此，如何获得连续、高分辨率和多参数的个体健康数据，已成为精准诊断和个性化医疗发展的关键问题。可穿戴电子能够直接在人体表面或微创界面持续采集电生理信号、代谢物、电解质、蛋白质及其他分子标志物，为构建个体化生理基线、识别异常变化和开展长期健康管理提供了新的技术路径。然而，单一传感器并不能构成完整的精准诊断系统。真正可用于长期监测的可穿戴平台，还需将传感器、采样结构、信号调理电路、供能模块、无线通信和智能算法集成于轻薄、柔软且与皮肤共形的器件中。先进制造与异质集成技术由此成为推动可穿戴电子从单参数传感器走向完整诊断系统的核心基础。

内容简介

可穿戴电子正推动医疗模式由传统间歇式中心化检测向连续式个体化精准诊断转变。通过长期采集电生理、力学和分子信号，这类系统能够识别个体健康状态的动态变化，并支持疾病早期预警、风险分层和治疗效果评估。南华大学杨健和以色列理工学院Hossam Haick等人系统综述了可穿戴精准诊断系统的传感原理、电子学结构、人工智能算法、先进制造与异质集成技术。文章首先总结电学、电化学、晶体管和光学传感机制，随后讨论涂覆、印刷、三维打印、静电纺丝、光刻及激光直写等制造方法，并进一步介绍软硬电气连接、三维集成和全柔性系统。最后，文章总结了可穿戴诊断电子在多类疾病中的应用及临床转化要求，并从长期可靠性、多参数融合、个体化分析、数据安全和监管标准等方面提出未来发展方向。

图文导读

I 简介

精准诊断强调在个体层面识别疾病的发生、进展及异质性，其实现依赖连续、高分辨率和多参数健康数据。然而，当前临床检测仍主要基于医院环境中的间歇性测量，难以反映日常生活中的生理波动，也难以区分正常个体差异与真正的病理变化。可穿戴诊断系统将生物传感器、微型电子器件、移动终端和机器学习算法结合起来，可持续分析汗液、组织间液、唾液、泪液和伤口渗出液等生物流体，并同步采集电生理和物理信号。早期可穿戴医疗器件主要用于记录单一生理信号。例如，1961年的Holter监测设备实现了心脏电信号的动态记录，随后连续血糖监测仪、表皮电子、智能隐形眼镜和口腔传感器等相继出现。随着材料科学、微纳制造、无线通信和数据分析技术的发展，可穿戴设备逐渐由单一电学或电化学传感器，演变为能够同步采集物理、化学和光学信号的多模态集成平台，并形成腕带、贴片、口腔护具、智能口罩和隐形眼镜等多种器件形态，如图1所示。尽管可穿戴电子已取得显著进展，其临床转化仍面临多重工程挑战。不同材料、器件和功能模块需要集成在单一柔性平台中，同时兼顾多模态检测、无线传输、机械拉伸性、微纳加工精度和长期可靠性。此外，复杂生物流体中的交叉干扰、传感器漂移，以及柔性传感模块与刚性芯片之间的机械失配，也会影响系统稳定性。基于此，该综述从诊断系统构建、先进制造、异质集成和生物医学应用四个层面，对精准诊断可穿戴电子进行了系统总结。

图1. 可穿戴医疗器件由单参数监测向多模态集成诊断系统的发展历程。

II 可穿戴诊断系统的构建

完整的可穿戴诊断系统主要包括生物医学传感器、可穿戴电子模块和诊断决策算法。传感器首先将生理或生化信息转换为电学或光学信号，随后由电子模块完成放大、滤波、模数转换和无线传输，最终由算法进行特征提取、定量分析、状态分类和结果显示。三者协同工作，使器件由单纯的数据采集工具转变为能够支持健康判断和临床决策的集成平台。

2.1 可穿戴生物医学传感策略

可穿戴传感器需要在人体佩戴过程中完成原位、实时和尽可能连续的检测。因此，依赖离体清洗、试剂添加或复杂操作的检测流程通常不适用于长期穿戴。目前，可穿戴诊断系统主要采用电学、电化学、晶体管和光学四类传感策略。电学传感器通过监测电阻、电容、电感或生物电位变化获取物理信号；电化学传感器通过离子交换或氧化还原反应将分析物浓度转换为电位或电流；晶体管传感器利用界面生化反应调控源漏电流；光学传感器则通过吸收、荧光发射或拉曼散射变化完成定量分析。上述传感方式及其信号转换机制如图2所示。

图2. 可穿戴诊断系统中电学、电化学、晶体管和光学传感器的主要信号转换机制。

2.1.1 电学传感器

电学传感器可分为直接检测生物电位的传感器，以及将压力、应变、温度和其他物理刺激转换为电阻、电容或电感变化的间接传感器。电生理传感器通过皮肤电极记录脑电、心电和肌电等差分电位，其性能高度依赖电极与皮肤之间的贴合程度和界面阻抗。长期佩戴过程中，人体运动、汗液积累、黏附衰减及皮肤阻抗变化均可能引起信号伪影。电阻式传感器通常通过几何形变、裂纹开合或导电网络重排产生阻值变化，具有结构简单、成本低和易于大面积印刷等优势。电容式传感器通过极板间距、重叠面积或介电常数变化响应外界刺激，通常具有快速响应和低功耗特征。电感式和LC谐振传感器则可利用线圈几何形状或磁通耦合变化实现无线、无源检测，已用于骨骼应变、深部伤口和组织运动监测。

2.1.2 电化学传感器

电化学传感器通过功能化电极界面上的离子交换、目标结合或氧化还原反应，将分析物浓度转换为电位或电流信号。根据信号采集方式，可主要分为电位型、电流型和伏安型传感器。电位型传感器通常由离子选择性工作电极和参比电极组成，在接近零电流条件下测量界面平衡电位，适用于Na⁺、K⁺、Cl⁻和pH等离子指标。其长期性能取决于离子选择膜、离子—电子转换层及参比电极的稳定性。电流型传感器在工作电极上施加氧化或还原电位，并测量由目标反应产生的法拉第电流。通过酶、催化材料和纳米结构电极，可实现葡萄糖、乳酸、尿酸及药物等分析物的连续定量。伏安型传感器则施加程序化电位扫描，通过特征峰位置和峰值实现多种电活性物质的区分和测量。电化学传感器可分析汗液、组织间液、唾液、泪液、尿液和伤口液，但长期使用仍受到生物污染、酶失活、介质流失、参比漂移及复杂基质干扰等问题限制。

2.1.3 晶体管传感器

晶体管传感器通过栅极调控源漏电流。当目标分子在感测界面结合或发生反应时，可改变局部电荷、界面阻抗或半导体通道特性，并将微弱的生化变化放大为明显的源漏电流变化。有机场效应晶体管和有机电化学晶体管具有材料选择丰富、可溶液加工、易于柔性集成和内置信号放大的优势。扩展栅极结构还可将生化感测区与驱动晶体管分离，有利于表面功能化和器件重复使用。晶体管传感器适用于低丰度蛋白质和核酸检测，但其性能容易受到非特异性吸附、德拜屏蔽、阈值电压漂移及半导体在电解质中膨胀或降解的影响。

2.1.4 光学传感器

光学传感器利用吸收、荧光发射或拉曼散射变化完成目标检测，具有非接触、高灵敏度和抗电磁干扰等优势。比色传感器可通过肉眼或智能手机相机读取颜色变化，适用于资源受限场景和一次性微流控贴片，但容易受到光照、相机参数和皮肤背景影响。荧光传感器利用荧光强度、寿命或发射波长变化检测低丰度分析物，可用于泪液葡萄糖和伤口pH监测，但通常需要激发光源、滤光片和光电探测器，增加了系统体积和功耗。表面增强拉曼传感器能够获得分子的特征振动光谱，适合无标记和多重检测，但对热点结构一致性、激光耦合和光谱读取设备具有较高要求。

2.2 电子学组件

可穿戴电子模块负责传感信号的放大、滤波、模数转换、数据处理和无线传输，其设计需综合考虑信号幅度、带宽、模数转换精度、功耗、器件尺寸和通信距离。对于脑电、心电和肌电等微弱低频信号，系统通常采用高输入阻抗、低噪声和高共模抑制比的模拟前端；对于电化学检测，则通过恒电位仪维持工作电极与参比电极之间的电位，并利用跨阻放大器将电流信号转换为电压信号。可穿戴诊断系统由医院中心化设备向用户中心化平台的发展趋势，以及典型电生理和电化学电子学结构如图3所示。完成模拟前端采集后，微控制器对数据进行初步处理，并通过近场通信或低功耗蓝牙传输至移动终端。近场通信可同时传输能量和数据，无需板载电池，但通信距离较短；低功耗蓝牙能够支持更远距离的数据传输，但需要内部电源。因而，模拟前端精度、采样速率、无线占空比和整体功耗之间需要进行系统权衡。

图3. 可穿戴诊断系统的电子学组成、电生理信号调理流程及多通道电化学模拟前端。

2.3 算法赋能的可穿戴诊断

机器学习和深度学习使可穿戴系统由被动数据记录逐渐转向“感知—解释—响应”。传感器采集的多模态信号通常需要经过校准、去噪、重采样、时间窗口划分、特征提取和模型推理，最终转化为疾病分类、异常预警或连续生理参数预测结果。典型的数据处理流程以及无监督学习、监督学习和强化学习的分类如图4所示。无监督学习无需人工标签，可用于聚类、降维、异常片段识别和数据表征；监督学习通过标记数据建立输入与疾病类别或生理参数之间的映射，适用于状态分类和定量回归；强化学习则通过环境反馈优化控制策略，适合连续血糖管理等闭环治疗系统。然而，可穿戴数据通常具有噪声大、缺失值多、类别不平衡和个体差异明显等特点。不同设备、佩戴位置及环境条件还会导致数据分布变化。因此，算法的临床应用不仅依赖模型精度，还需要代表性数据集、跨人群验证、可解释性、隐私保护和长期自适应能力。

图4. 可穿戴诊断中的数据处理流程及机器学习算法分类。

III 先进制造与集成技术

3.1 材料沉积与图案化制造

可穿戴电子制造方法可分为增材和减材两类。增材方法包括滴涂、旋涂、刮涂、浸涂、喷涂、印刷、三维打印和静电纺丝；减材或局部加工方法则主要包括光刻和激光直写。不同制造技术的基本工作方式如图5所示。

图5. 可穿戴诊断系统中常用的增材和减材制造策略。

3.1.1 涂覆技术

滴涂、旋涂、刮涂、喷涂和浸涂是构建敏感材料层、生物界面层和柔性薄膜的常用方法。滴涂设备需求低，适合材料筛选和概念验证，但薄膜均匀性和批次一致性较差。旋涂可制备厚度均匀的介电层、聚合物基底和封装层，但材料浪费较大，且不适合曲面或织物。刮涂可与连续化和卷对卷工艺结合，适合大面积制备水凝胶、传感膜和封装层。喷涂能够在曲面、多孔或可拉伸基底上形成共形涂层，适用于导电网络、气体传感层和电子皮肤。浸涂则适合纤维、织物、微针及三维多孔结构的批量表面修饰。例如，研究人员利用逐层喷涂制备厚度可调的导电金属有机框架薄膜，并通过改进旋涂工艺获得均匀的离子凝胶湿度传感阵列。相应的喷涂系统、旋涂过程及大面积柔性传感阵列如图6a–c所示。

图6. 喷涂制备导电MOF薄膜及旋涂制备离子凝胶湿度传感阵列。

3.1.2 印刷技术

喷墨印刷、丝网印刷、凹版印刷、柔版印刷和气溶胶喷射印刷可将功能墨水直接沉积在纸张、金属、玻璃、橡胶和聚合物薄膜上。喷墨印刷材料利用率高且便于定制，适合小批量电化学传感器和柔性电极，但易受到喷嘴堵塞、咖啡环效应和墨水流变性质影响。丝网印刷设备相对简单、生产效率高，适合一次性传感贴片和印刷电极。凹版与柔版印刷初始设备成本较高，但能够通过卷对卷工艺实现大批量生产。气溶胶喷射印刷具有较高分辨率，并能在曲面和非平面基底上沉积微电极和柔性互连，但加工速度及设备成本仍限制其规模化应用。如图6d–f所示，具有分子识别和电化学转换功能的核壳纳米颗粒可通过喷墨印刷批量制备为柔性传感阵列。图6g进一步展示了利用收缩转移辅助印刷将液态金属线路从平面基底转移到曲面纤维表面的过程。

3.1.3 三维打印技术

三维打印通过逐层沉积构建复杂结构，可用于制备可穿戴器件外壳、支撑结构、微流控腔体、模具、微针和电极阵列。随着打印精度提升，三维打印不仅能够制造个体化机械结构，还可直接加工导电材料、水凝胶、弹性体和复合材料。研究人员已利用三维打印制备具有气体扩散腔体的皮肤气体分析装置、具有多面的微针传感器以及高密度三维微电极阵列。多材料挤出打印还可在同一平台中集成传感器、微流道和微型超级电容器，实现完整电子皮肤的直接制造。上述三维打印结构、微针、电极阵列和多材料电子皮肤如图7所示。三维打印适合个性化、小批量和复杂结构制造，但高精度加工通常面临打印面积小、速度慢和成本高等问题。后续固化、清洗、灭菌和表面修饰也会增加工艺复杂度。

图7. 三维打印用于皮肤气体分析、微针、电极阵列和多模态电子皮肤制造。

3.1.4 静电纺丝技术

静电纺丝能够连续制备纳米至微米尺度纤维，其形成的纤维膜具有高比表面积、良好柔性和优异透气性，可作为皮肤接触基底、导电支架或传感材料载体。通过在纺丝液中加入导电填料、催化材料和生物活性成分，可直接获得具有传感功能的复合纤维。普通共混纺丝中不同组分的空间分布较难精确控制。多喷头、同轴和多轴静电纺丝则可构建梯度膜、分层结构和核壳纤维，进一步实现导湿、温度调节和多功能感知。如图8所示，静电纺丝可与模板印刷结合构建多层可拉伸电子器件，也可通过双喷头和同轴纺丝形成双梯度膜及核壳结构纤维。传统静电纺丝沉积速度较低，且对溶液黏度、湿度、温度和电压较为敏感。实现大面积生产仍需要多针、无针和卷对卷设备，并结合自动化过程控制和在线质量检测。

图8. 静电纺丝柔性电子、双梯度纤维膜及核壳结构纺织物。

3.1.5 光刻技术

光刻通过曝光、显影和刻蚀将掩模图形高精度转移至基底，具有分辨率高、尺寸可控和重复性好的优势。一种常见策略是在硅片上完成器件加工后，通过牺牲层释放并转移至柔性基底；另一种策略则是在弹性体、纤维或织物上直接进行光刻图案化。光刻可用于构建高密度电极阵列、晶体管、微流控结构和空间分辨传感器。例如，在纤维基底上制备的液态金属微电极可达到微米级分辨率，而织物内部光刻则能够形成透气的金属线路和多路汗液传感系统。柔性器件释放、纤维液态金属电极和织物内光刻的典型过程如图9所示。光刻依赖洁净室、掩模和刻蚀设备，成本较高，且传统平面工艺与柔软、多孔和拉伸基底的兼容性有限。因此，其更适合高价值、高密度的核心传感与电子模块，并与转移印刷、涂覆或柔性封装结合使用。

图9. 柔性器件释放光刻、纤维基底液态金属电极及织物内光刻。

3.1.6 激光直写技术

激光直写利用聚焦激光在材料表面或内部逐点扫描，可分为减材激光直写、增材激光直写和转化型激光直写。与光刻相比，该方法无需掩模和复杂显影过程，适合快速设计和个性化加工。减材激光直写可切割线路、微孔和微流道；增材激光直写可在前驱体溶液中原位合成并沉积金属；转化型激光直写则通过局部碳化、还原、氧化或相变直接形成导电结构。例如，激光诱导石墨烯可用于汗液化学传感、温度监测和微流控集成。三类激光直写机制，以及其在三维微电极、光纤电极和皮肤实验室中的应用如图10所示。激光直写具有设计自由度高和基底适应性强等特点，但加工效率、材料电导率及不同批次图案的一致性仍需优化。

图10. 三类激光直写机制及其在三维电极、光纤探针和皮肤实验室中的应用。

3.1.7 制造方法总结

高性能可穿戴诊断系统通常无法依靠单一制造方法完成。更可行的路径是采用兼顾成本与性能的混合制造策略。涂覆、丝网印刷和卷对卷工艺用于大面积电极和功能膜，高分辨率光刻、激光加工、气溶胶打印及三维打印则仅用于局部关键结构。通过按需组合不同工艺，可同时兼顾低成本、高性能、机械柔性和生产规模。

3.2 先进集成技术

单个传感器性能优异并不意味着完整系统能够长期稳定工作。可穿戴设备在实际使用中会经历反复拉伸、弯曲、汗液浸润、温湿度变化和皮肤摩擦，因此还需解决软硬连接、层间互连、封装、信号串扰和功耗管理等系统问题。

3.2.1 软硬电气界面

多数可穿戴系统由柔性传感器与刚性芯片共同构成。二者之间的软硬连接区域容易出现应变集中，是长期使用中最常见的失效位置之一。传统焊锡连接需要加热，可能损伤温度敏感基底，且形成的刚性焊点容易在反复弯曲中开裂。液态金属焊料具有低熔点、高导电性和良好形变能力，可用于弹性体或纤维基底上的芯片连接，但仍需解决氧化、泄漏和封装问题。导电胶可实现低温连接，通过调节聚合物和导电填料组成可降低机械失配。各向异性导电膜主要沿厚度方向导电，适合高密度线路连接；各向同性导电膜则可用于大面积和多方向导电连接。传统焊锡、液态金属焊料、磁场辅助导电胶、各向异性导电膜和超薄双相导电界面的结构如图11所示。

图11. 焊锡、液态金属、导电胶和导电膜实现的软硬电气连接。

3.2.2 三维集成策略

将所有模块平铺在单层基底上会增加器件面积，并引入较长互连和信号串扰。三维集成可在有限面积内堆叠传感、计算、存储、能源和通信模块，提高集成密度并缩短信号路径。三维单片集成通过在同一基底上依次沉积和加工不同功能层，形成高度紧凑的整体结构，适合高密度晶体管、存储器及感存算一体器件。但不同材料之间的热、化学和机械兼容性限制了其设计自由度。三维混合堆叠则先分别制备各功能模块，再通过侧面、垂直、面对面或打印互连进行组装。该方法能够根据不同模块选择最优工艺，适合将生化传感、电生理、能源、无线通信和处理电路集成为多功能可穿戴系统。三维单片集成及侧面、垂直、面对面和打印互连的混合堆叠方式如图12所示。随着集成层数增加，垂直导电稳定性、层间对准、散热和机械可靠性将成为更突出的问题。

图12. 三维单片集成和三维混合堆叠集成策略。

3.2.3 全柔性电子集成

全柔性电子系统由本征柔软或可变形材料构成，不使用刚性硅芯片，可从根本上降低不同模块之间的机械失配。此类系统需同时实现感知、信号处理、存储、控制、供能和通信等功能。基于超薄氮化镓膜的声表面波电子皮肤能够在无传统芯片结构下实现应变、紫外光和汗液离子无线检测。另一类策略则将无线通信、能量获取和信息显示功能直接集成到纤维中，使单根纤维成为智能纺织系统的基本单元。无芯片声表面波电子皮肤与人体耦合单纤维无线交互系统如图13所示。全柔性和无芯片系统可提高透气性和佩戴舒适性，但其无线读出距离、谐振稳定性、信号强度及洗涤耐久性仍需在真实环境中系统评估。

图13. 无芯片声表面波电子皮肤及单纤维无线交互纺织系统。

IV 生物医学应用

可穿戴诊断电子的临床价值并不仅在于缩小传统仪器，而在于获得医院外的连续数据，构建个体化生理基线并识别短暂异常。其应用已覆盖神经、心血管、呼吸、眼科、肌肉骨骼、皮肤、肿瘤、糖尿病和炎症免疫等多个领域。

4.1 神经系统

脑电是评估癫痫、睡眠障碍、神经退行性疾病和脑机接口状态的重要信号。传统临床脑电和多导睡眠监测具有较高诊断价值，但设备体积较大、记录窗口有限，难以捕捉日常生活中低频发生的异常事件。为改善头皮电极稳定性，研究人员开发了仿毛发黏附电极和耳后多通道柔性贴片，以降低头发、表情和运动对脑电信号的影响。耳内传感器进一步将脑电、眼电和汗液乳酸检测集成在同一平台中，实现神经活动与代谢状态的同步监测。与此同时，耳戴式脑电系统还可与人工智能组成脑—机闭环，用于困倦识别、睡眠分期和机器决策增强。上述耳后贴片、耳内多模态传感器和脑—人工智能闭环系统如图14所示。部分耳戴式系统已在未参与训练的个体中实现较高的困倦识别准确率，但未来仍需与临床脑电、专家标注和多中心患者数据进行前瞻性验证。

图14. 用于脑电、疲劳及闭环脑机系统的可穿戴神经诊断电子。

4.2 心血管系统

心电反映心脏电活动，血压则体现心脏泵血和血管状态，二者同步监测可更全面地评估心血管功能。传统心电、动态心电和袖带血压主要提供间歇性数据，可能遗漏短暂心律失常、夜间血压升高和晨峰现象。柔性微针电极可穿过角质层并降低皮肤接触阻抗。透气心脏电子皮肤通过液态金属电路实现长时间心电记录，并减少皮肤刺激。进一步发展的胸部大面积电极阵列和超薄十二导联系统，可在坐立、行走和上下楼梯过程中获得较稳定的标准心电信号。人工智能心电贴片还可完成心脏疾病识别、佩戴位置判断及交互式咨询。上述透气心脏电子皮肤、多导联心电系统和人工智能心电贴片如图15所示。心电还可与心音、光电容积脉搏波和药物输送模块结合，形成多模态监测与治疗平台。不过，人工智能心血管系统仍需独立患者队列和监管框架验证。

图15. 透气心脏电子皮肤、多导联心电系统和人工智能心电贴片。

高血压监测方面，可穿戴传感器通过压力、脉搏波、光电容积描记和超声实现连续无袖带测量。主动微气囊系统可在不同压力下记录脉搏信号，柔性超声贴片则能够监测深部动脉波形。通过融合心电、脉搏波、接触压力和皮肤温度，并结合随机森林或神经网络，可进一步预测收缩压和舒张压。连续血压监测、主动加压脉搏平台、深部超声和多信号融合系统如图16所示。然而，年龄、血管硬度、体位和活动状态都会影响结果，无校准或低校准系统仍需与临床血压标准进行长期比较。

图16. 可穿戴连续血压监测、深部超声及多信号融合系统。

4.3 呼吸系统

哮喘、慢性阻塞性肺疾病及呼吸道感染需要长期监测呼吸频率、通气量、咳嗽、肺音和病原体标志物。传统肺功能检测、听诊和核酸检测通常依赖医院或实验室，难以持续追踪急性恶化。可伸缩自供能传感器可记录胸腹运动和呼吸模式，智能口罩则可同时检测呼吸湿度和气流变化。柔性可穿戴听诊器能够连续采集肺音，并结合深度学习识别不同呼吸系统疾病。呼吸带、智能口罩、柔性听诊器和深度学习呼吸诊断系统如图17所示。

图17. 呼吸频率、肺音和人工智能呼吸诊断系统。

除物理信号外，呼出气冷凝液和气溶胶还包含pH、NH₄⁺、病毒抗原和核酸等分子信息。微流控智能口罩可原位分析呼出气冷凝液，核酸扩增传感器和水凝胶谐振器则可在口罩中快速检测呼吸道病毒。如图18所示，生物电子口罩可检测呼吸道病原体核酸，水凝胶调制谐振器则可实现病毒气溶胶的快速无线免疫检测。该类系统需进一步统一样本收集方法和参考范围，并在更大患者队列中确定诊断灵敏度和特异性。

图18. 用于呼吸道病原体和呼出气生物标志物检测的智能口罩。

4.4 眼科系统

青光眼、角膜缺氧和眼球运动异常通常需要监测眼压及眼表微环境。传统眼压检测只能获得特定时间点的数据，可能遗漏昼夜变化和体位相关波动。柔性智能隐形眼镜可通过应变或电学变化持续感知眼压，并同步检测角膜溶解氧、湿度和温度。研究人员还将眼压传感与反馈刺激结合，形成眼部闭环感知系统。佩戴在眼睑上的磁弹性传感器可捕捉眨眼和眼球运动信号，并借助神经网络识别疲劳程度。多方向应变阵列则可分析眼睑变形，用于斜视等眼球运动障碍的辅助判断。智能隐形眼镜、眼睑磁弹性传感器及人工智能眼球运动诊断系统如图19所示。目前，多数眼压与角膜微环境传感器仍处于模型或动物实验阶段，需与临床眼压计、裂隙灯和眼科检查进一步比较。

图19. 智能隐形眼镜、眼睑传感器及人工智能眼球运动诊断系统。

4.5 骨骼肌系统

肌少症、肌肉萎缩和神经肌肉疾病会影响患者运动能力和生活质量。传统肌电、超声、磁共振和肌力测试主要在医院完成，难以长期跟踪日常活动中的肌肉收缩、疲劳和康复变化。柔性压力和应变传感器可检测肌肉表面形变，而可穿戴超声能够进一步获取深部肌肉结构和硬度。单换能器肌肉超声系统可通过回波变化识别手势和膈肌厚度；多通道无铅超声阵列则可开展剪切波弹性成像，评估肌肉收缩状态。将超声、肌电、足底压力和肌肉代谢物检测结合，可同时获得结构、功能和生化信息。单换能器肌肉超声、多通道无铅超声阵列、超声—肌电同步贴片和肌肉萎缩多传感系统如图20所示。此类多模态平台仍需通过患者研究建立可穿戴信号与疾病严重程度及康复效果之间的关系。

图20. 可穿戴肌肉超声、肌电和多模态肌肉萎缩监测系统。

4.6 皮肤与伤口

特应性皮炎、银屑病、压力性损伤和糖尿病伤口均具有明显的动态变化。传统视觉检查和评分具有主观性，并可能遗漏早期屏障损伤、压力积累、感染和微环境恶化。透气皮肤分析仪可连续监测皮肤含水量和经皮水分流失，评估环境污染对皮肤屏障的影响。闭环皮肤贴片还能根据含水量变化触发微针药物释放。含活性微生物的生物集成电子则可同步监测皮肤阻抗、温度和湿度，并调节局部炎症环境。透气皮肤分析仪及自供能闭环皮肤贴片的结构和测试结果如图21所示。

图21. 用于皮肤屏障监测和闭环治疗的可穿戴系统。

智能绷带进一步将pH、葡萄糖、温度、压力和炎症标志物检测集成于伤口敷料中。部分系统利用热电化学电池从伤口温差中获取能量，并通过输出电压判断炎症阶段。另一些平台则根据传感结果实施电刺激、抗菌药物或胰岛素释放。人工智能还可根据伤口图像和多参数信号判断愈合阶段并制定干预方案。如图22所示，三维闭环电子绷带可同步检测伤口葡萄糖和pH，热电化学敷料可实现自供能伤口分期，水凝胶治疗贴片和多参数智能绷带则可进一步进行药物释放和组合治疗。未来需将传感结果与伤口面积、细菌培养、炎症指标和标准化临床评分进行关联。

图22. 用于伤口代谢物检测、能量获取和闭环治疗的智能绷带。

4.7 肿瘤

肿瘤诊断主要依赖病理检查、影像学和血液分子检测，但这些方法难以高频重复。可穿戴肿瘤系统更适合用于治疗反应、局部生长和复发风险的长期监测，而非取代病理诊断。柔性应变和阻抗传感器可监测皮肤病灶及肿瘤体积变化。FAST系统能够以分钟级时间分辨率记录肿瘤缩小过程，并在治疗开始后较早识别体积变化。可穿戴液体活检平台则利用晶体管检测组织间液中的甲基化循环肿瘤DNA，为动态分子监测提供新方案。此外，汗液和呼出气中的挥发性有机物可反映异常代谢，而霍尔传感器阵列结合深度学习可记录早期肿瘤的微小高度变化。皮肤病灶阻抗贴片、FAST肿瘤体积传感器、循环肿瘤DNA检测平台和三维肿瘤形貌监测系统如图23所示。相关系统仍需证明其与组织病理、影像和血液肿瘤标志物之间的稳定相关性。

图23. 肿瘤阻抗、体积、循环肿瘤DNA及三维形貌监测系统。

4.8 糖尿病

糖尿病管理需要持续控制血糖并预防低血糖和高血糖。指尖血糖和糖化血红蛋白检测无法显示完整的日内波动，而连续血糖监测可提供趋势、变化速率和个体化反馈。智能隐形眼镜可检测泪液葡萄糖并分析其与血糖之间的个体化时间延迟。汗液贴片能够通过离子导入在静息状态下提取汗液并测量葡萄糖及肾功能相关指标。相比之下，微针能够直接接触组织间液，其生化组成与血液更接近。微针平台已用于同时监测葡萄糖和二甲双胍，实现药代动力学与药效动力学分析。中空微针和稳定酶固定结构还可支持多天连续检测，并与商用血糖仪进行比较。泪液葡萄糖隐形眼镜、微针药代—药效监测平台、长期连续血糖系统及化学—心血管多模态腕带如图24所示。为提高长期稳定性，研究人员还开发了单原子纳米酶和非酶葡萄糖传感器。将血糖、乳酸、酒精、血压和心率等信号融合，可更全面地分析饮食和运动对代谢状态的影响。进一步结合深度学习和双闭环胰岛素输送，可推动糖尿病系统由监测向自动干预发展。

图24. 泪液、组织间液及多模态糖尿病监测系统。

4.9 炎症与免疫反应

IL-6、C反应蛋白和免疫球蛋白等大分子标志物在感染、自身免疫疾病和脓毒症中具有重要意义，但其在汗液和组织间液中的浓度较低，且扩散速度较慢。传统ELISA和化学发光检测需要采血和实验室操作，难以连续跟踪炎症变化。适配体修饰的导电织物可在汗液中检测IL-6，并在反复弯曲后保持稳定响应。微针传感器则可在皮肤内捕获细胞因子和IgG，提高与血液免疫状态的相关性。光学装置还可促进血液标志物向皮肤表面转移，以实现无抽血检测。微流控和机器学习进一步提高了炎症传感器的定量能力。相关系统已用于慢性阻塞性肺疾病和新冠患者的CRP监测。导电织物IL-6传感器、微针IgG检测平台及无线CRP监测贴片如图25所示。相关系统仍需解决低浓度检测、生物污染、交叉反应及汗液与血液浓度对应关系等问题。

图25. 汗液和组织间液中IL-6、IgG及C反应蛋白的可穿戴检测。

4.10 其他生物医学应用

可穿戴系统还可用于心理压力、生殖健康、胎儿活动、口腔环境及电解质监测。压力评估平台将皮质醇、葡萄糖、心率和皮肤温度结合，以提供比单一心理问卷更连续的生理背景信息。汗液雌二醇适配体传感器可在月经周期中连续追踪激素变化。压力—应变组合传感器能够区分胎儿局部抽动、踢动和孕妇自身活动，并通过人工智能完成事件识别。无电池牙齿贴片可监测饮食和微生物代谢引起的口腔pH变化，并根据酸性环境释放氟化物。微针扩展栅极晶体管则可持续检测组织间液中的Na⁺，并通过物联网平台上传数据。压力监测系统、胎动传感器、口腔pH治疗贴片和组织间液Na⁺检测平台如图26所示。这些应用展示了可穿戴电子在医院外连续监测中的广泛潜力，但其临床意义仍需通过疾病特异性参考标准和长期结果验证。

图26. 压力、胎动、口腔pH和组织间液Na⁺监测系统。

V 总结

先进制造、传感和集成技术正在推动可穿戴电子由简单信号记录工具转变为综合精准诊断平台。多种传感机制能够覆盖电生理、代谢物、挥发性有机物、蛋白质和微生物等不同目标；涂覆、印刷、三维打印、光刻和激光加工则为柔性器件制造提供了多样化路径；软硬连接、三维堆叠和全柔性集成进一步实现了传感、供能、计算和无线通信的系统化融合。

然而，从实验室原型走向临床应用仍需满足四个核心条件。首先是分析可靠性，即在复杂生物流体和真实佩戴环境下保持足够的灵敏度、选择性和抗干扰能力。其次是长期连续性，需要解决生物污染、信号漂移、材料疲劳、皮肤刺激和供能不足等问题。再次是多模态可解释性，应通过同步采集和人工智能融合多种信号，避免依赖单一标志物阈值。最后是个体化临床验证，需要建立个人生理基线，并证明可穿戴输出与临床金标准、疾病结局和治疗反应之间的明确联系。

未来，可穿戴精准诊断的发展需要在材料、制造、封装、能源、算法和临床验证之间建立更紧密的协同。抗污染界面、无线供能、边缘计算、隐私保护、标准化制造和大规模患者队列研究将成为重要方向。同时，半植入、全植入、可吸收和可吞服电子器件将进一步把连续监测范围由体表拓展至深部组织和器官。

可穿戴电子当前面临的核心问题，已不再是能否检测生理或分子信号，而是能否在不同时间、不同信号模态和不同个体之间，以足够的稳定性和准确性形成可操作的临床诊断信息。只有将先进制造、异质集成、长期可靠性、智能分析及临床监管纳入统一转化框架，可穿戴诊断系统才能真正由高性能实验室器件发展为可信赖的精准医疗平台。

作者简介

龚霞

本文第一作者

以色列理工学院 博士

▍主要研究领域

气体传感器；纳米材料；微纳加工；人工智能；可穿戴与柔性电子；生物传感与生物电子学。

▍主要研究成果

现为以色列理工学院在读博士，已在Biosens. Bioelectron.、Adv. Funct. Mater.、ACS Sensors、Nat. Commun.等国际知名期刊发表多篇学术论文，并围绕可穿戴传感、微针器件及智能诊疗技术申请多项国家发明专利。

▍Email：xia.gong@campus.technion.ac.il

郑颖

本文第一作者

中山大学 博士后

▍主要研究领域

可穿戴与柔性电子；微针与经皮给药；生物传感与生物电子学；微/纳米生物医学器件；植入式生物医学器件；磁控生物医学器件。

▍主要研究成果

现为中山大学生物医学工程博士后。近年来已在J. Controlled Release、Microsyst. Nanoeng.、Nat. Commun.、Adv. Funct. Mater.等期刊发表多篇学术论文，申请多项发明专利，并曾获博士研究生国家奖学金、中山大学博士研究生校长奖学金及博士研究生一等奖学金等荣誉。

▍Email：zhengy375@mail.sysu.edu.cn

丁旭银

本文第一作者

以色列理工学院 博士

▍主要研究领域

人工嗅觉相关研究，包括气体传感器，纳米材料，微纳加工，人工智能和可穿戴健康监测。

▍主要研究成果

现为以色列理工学院在读博士，已在ACS Nano、Adv. Mater.、ACS Sensors和Chin. Chem. Lett.等国际知名期刊发表多篇学术论文，并获得多项国家发明专利授权。

▍Email：xuyin@campus.technion.ac.il

杨健

本文通讯作者

南华大学 教授

▍主要研究领域

从事生物电子与智能医学研究，重点聚焦可穿戴医学电子、智能医学传感、智能释药技术和智能诊疗系统等交叉方向。团队致力于将柔性电子、微纳制造、电化学传感和人工智能算法相结合，开发面向连续健康监测、智能药物递送、药代动力学与药效动力学评价以及闭环诊疗的集成化医学器件。

▍主要研究成果

杨健教授现任南华大学生物医学工程系主任，博士生导师，湖南省生物医学工程学会常务理事，南华大学高层次青年优秀人才，生物电子与智能医学PI团队负责人，并担任Interdiscip Med, Soft Sci, J Anal Test, View等国际知名期刊青年编委。主持国家自然科学基金青年项目，高层次人才科研启动项目及科技成果转化项目等4项，以通讯/一作在Nat. Commun., Nano-Micro Lett., Adv. Funct. Mater.等发表SCI论文20余篇。首创可穿戴微针药代/药效动力学监测技术被国内外媒体包括美国EurekAlert，Medical Xpresss，人民网，中以驻华大使馆官方公众号等数十家媒体关注和报道。发表综述论文微针在生物医学方面的应用入选高被引论文，单篇他引频次＞300次，作为项目负责人主导可穿戴式动态葡萄糖监测仪(CGM)核心关键技术研发并成果转化上市公司，已合作开发出初代原型CGM产品，形成多项新产品，新技术，新材料等创新成果。

▍Email：jensenwin@usc.edu.cn

Hossam Haick

本文通讯作者

以色列理工学院 教授

▍主要研究领域

长期从事纳米技术、先进传感材料与无创疾病诊断研究，重点聚焦人工智能赋能的纳米传感阵列、呼气分析、挥发性生物标志物、可穿戴传感器及电子皮肤等方向。其研究致力于通过纳米材料、柔性电子与人工智能算法的交叉融合，实现人体生理和分子信号的高灵敏检测，并推动癌症、呼吸系统疾病及其他重大疾病的早期筛查、连续健康监测和个体化诊断。

▍主要研究成果

Hossam Haick教授现任以色列理工学院全职教授，是美国国家发明家科学院会士，也是纳米技术、先进传感材料和无创疾病诊断领域具有国际影响力的专家。他在人工智能纳米阵列、呼气诊断、可穿戴传感、电子皮肤及挥发性生物标志物检测等方面开展了大量开创性研究。Haick教授已发表500余篇学术论文并出版两部著作，其研究成果产生了多项专利、技术许可和初创企业。他已获得90余项国际奖项与荣誉，包括洪堡高级研究奖、美国材料研究学会影响力奖，以及法国政府授予的学术棕榈骑士勋章。此外，他长期致力于全球科学教育、青年人才培养与科技创新推广。

▍Email：hhossam@technion.ac.il

撰稿：原文作者

编辑：《纳微快报(英文)》编辑部

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