參照DNA雙螺旋結構編織紗線 研製柔性壓阻傳感器量度脈搏

古裝電視劇有時會出現中醫師透過一根線為患者把脈的橋段。時至今日，以線織成的紡織品確有被用於遠端醫療診斷的智能電子傳感技術，然而面對衍生訊號不一致的技術困難。由香港城市大學（城大）學者領導的一項研究受DNA啟發，並發現運用雙螺旋結構編織出的紡織品有助解決上述技術困難。團隊更研製出柔性壓阻傳感器來感測人體脈搏的跳動，該傳感器反應快速、受按壓後能迅速回復原狀、而且訊號穩定，有望可用於需求日益壯大的醫療保健市場。

研究團隊由城大生物醫學工程學系教授、可穿戴醫療保健材料實驗室主任胡金蓮教授領導。研究成果已於學術期刊《先進材料》 (Advanced Materials)上發表，題為〈Ultrafast-Response/Recovery Flexible Piezoresistive Sensors with DNA-Like Double Helix Yarns for Epidermal Pulse Monitoring〉。

反向從紗線結構著手 減輕傳感器訊號滯後問題

胡教授說：「運用紡織品製成傳感器有很多優勢，例如柔軟、透氣、柔韌又可拉伸，於是被科學界用以製成柔性壓阻傳感器（flexible piezoresistive sensors）。」然而一般紡織傳感器會出現滯後現象(hysteresis)，即變形後難以回復原狀。另外，一般紡織傳感器衍生的訊號不一致，令測量結果往往不可重複，阻礙了應用。

解決滯後的問題，一般做法是嘗試將彈性聚合物（elastic polymers）加進紡織品中。胡教授的團隊卻反而從紗線本身的結構入手，用雙股紗加捻（即是將原料絲繞成線的過程）製作類似DNA雙螺旋結構的線，來做成織物材料。胡教授解釋說：「這種方法將兩條紗線巧妙地扭在一起，在兩條紗線之間衍生出穩定的結合力，令織物材料不會散開，更可以快速地由變形的狀態回復原狀。」

紡織柔性壓阻傳感器 能檢測不同情況下的表皮脈搏

胡教授指出，一般紡織傳感器出現滯後的重要原因，是紗線受壓變形後，紗線之間互相磨擦後不可以回復到原位。而她團隊的紗線採用雙螺旋結構，令紗線之間緊密聚攏而減少了磨擦帶來的滑移，所以減輕了滯後的問題。

在此基礎上，團隊進一步研發出具超快反應及恢復能力的紡織柔性壓阻傳感器，並用於表皮脈搏監測的實驗。

_{團隊運用紡織柔性壓阻傳感器檢測手腕上的表皮脈搏。（DOI number: 10.1002/adma.202104313）}

團隊研發的紡織柔性壓阻傳感器由五層組成。中間那一層的紡織物由呈雙螺旋結構的紗線編織而成，下面是電極和最底層的聚醯亞胺（Polyimide，簡稱為PI）基板。研究人員用凝膠封住此三層後，在最表面覆蓋一層聚萘二甲酸乙二醇酯（Polyethylene Naphthalate, 簡稱為PEN）薄膜。

該紡織柔性壓阻傳感器通電之後，電極層上受表皮脈搏跳動按壓而變形的紡織物，會產生電阻，並按脈搏的不同跳動而衍生出不同的訊號。團隊的實驗證實，紡織柔性壓阻傳感器可檢測到頸部和手腕上的表皮脈搏，而且於運動前後監測的手腕脈搏訊號會有所不同。另外，從正常女性和被診斷為竇性心動過緩的男性身上收集到的手腕脈搏訊號，亦有明顯不同。

只需兩毫秒即能產生訊號 受按壓後只需一毫秒就能回復原狀

胡教授說：「與其他紡織傳感器相比，我們這個器件靈敏度高，由重量只有9毫克的一粒米所造成的按壓也可感知到。另外，傳感器反應快得只需兩毫秒就能產生訊號，受脈搏跳動按壓後又只需一毫秒就能回復原狀。」紡織柔性壓阻傳感器經測試證明耐用，循環使用6000次仍能維持95%的最初性能。胡教授總結說：「最重要的是，我們解決了一般紡織傳感器滯後的問題。實驗結果顯示傳感器衍生的訊號一致，具有良好和各方面都平衡的性能。」

胡教授形容這組嶄新並高效的紡織柔性壓阻傳感器，可以說是革新了表皮脈搏量度的技術，能靈活地組裝在可穿戴裝置上，亦有助促進中醫把脈技術的現代化。

胡教授是論文的通訊作者。論文的第一作者是胡教授曾經指導的博士畢業生陳建銘博士和張俊博士。團隊其他來自城大的研究人員包括生物醫學工程學系講座教授張元亭教授、和胡教授曾經指導的博士畢業生Harun Venkatesan博士。研究團隊其他成員則來自香港理工大學、香港中文大學以及江南大學。

是次研究獲得城大的資助而進行。

DOI number: 10.1002/adma.202104313