Sammanfattning

Flexibla hydrogelfilmer har blivit ett banbrytande material för bärbara enheter, eftersom de erbjuder en unik blandning av biokompatibilitet, mekanisk flexibilitet och känslighet för miljöstimuli. Dessa egenskaper gör dem idealiska för applikationer inom hälsoövervakning och smarta textilier, vilket gör det möjligt för enheter att anpassa sig till kroppen samtidigt som de tillhandahåller fysiologiska data i realtid och förbättrar användarkomforten.

. Deras förmåga att efterlikna den extracellulära matrisen (ECM) i biologiska vävnader minskar risken för hudirritation, vilket ökar deras säkerhet för långvarig användning i direktkontakt med mänsklig hud. Betydelsen av flexibla hydrogelfilmer ligger inte bara i deras funktionalitet utan också i deras olika användningsområden. Dessa material används i innovativa enheter för hälsoövervakning, t.ex. smartklockor och biosensorer, som kan mäta vitala tecken och upptäcka biomarkörer för sjukdomar. Dessutom möjliggör framsteg inom hydrogeltekniken förbättrade system för läkemedelstillförsel, där hydrogeler kan modulera läkemedelsfrisättningsprofiler baserat på fysiologiska förhållanden, vilket erbjuder skräddarsydda terapeutiska lösningar... Trots fördelarna finns det utmaningar med att integrera flexibla hydrogelfilmer i bärbar teknik, bland annat tillverkningskomplexitet, tillförlitlighetsproblem och problem med användaracceptans. De invecklade processer som krävs för att bädda in elektronik i hydrogeler kan leda till högre produktionskostnader, samtidigt som dessa materials prestanda kan påverkas av miljöförhållanden som temperatur och luftfuktighet... Dessutom försvårar integritets- och säkerhetsfrågor i samband med insamling av känslig hälsoinformation ytterligare den breda användningen av dessa teknologier... Eftersom marknaden för bärbar teknik fortsätter att expandera, med prognoser som överstiger $34 miljarder år 2020, är utvecklingen av flexibla hydrogelfilmer redo att spela en avgörande roll för att forma framtiden för hälsoövervakning och individanpassad medicin. Pågående forskning syftar till att ta itu med befintliga utmaningar och förbättra hydrogelernas prestanda, vilket gör dem oumbärliga i nästa generation av bärbara enheter.

Materialets sammansättning

Ledande nanokomposithydrogeler

Ledande nanokomposithydrogeler är en viktig del i utvecklingen av flexibla bärbara enheter, som kombinerar egenskaper från olika ledande material som kolbaserade nanomaterial, polymera nanofyllmedel, metallnanofyllmedel och nya 2D-material som MXenes

. Dessa material förbättrar hydrogelernas mekaniska egenskaper, vidhäftning, självläkande förmåga och frysskydd, vilket gör dem lämpliga för olika tillämpningar inom bärbar teknik.

Tillverkningstekniker

Vid tillverkningen av e-textilier, som innehåller dessa hydrogeler, används flera metoder, bland annat tryckning av töjbara kretsar med hjälp av ledande bläck som består av metallfragment och användning av ledande trådar eller garn. Genom att belägga icke-ledande fibrer, t.ex. polyester, med ledande material som guld eller silver underlättas integreringen av elektronik i textilier ytterligare.

. Traditionella tillverkningstekniker, som broderi, sömnad, vävning och stickning, spelar också en viktig roll för att skapa funktionella e-textilier.

Temperaturkänsliga hydrogeler

Temperaturkänsliga hydrogeler är en annan viktig kategori som övergår mellan vätske- och geltillstånd som svar på temperaturförändringar. Dessa hydrogeler är särskilt relevanta för vävnadstekniska tillämpningar, eftersom de kan utformas för att gelera vid kroppstemperatur utan behov av kemiska stimulanser

. Naturliga polymerer som cellulosa och gelatin samt syntetiska polymerer som polyisopropylakrylamid används ofta i dessa system på grund av deras biokompatibilitet och biologiska nedbrytbarhet.

Metoder för tvärbindning

Bildandet av hydrogeler beror också på olika tvärbindningsmetoder. Optisk polymerisation gör det möjligt att skapa hydrogeler med hjälp av ljuskänsliga molekyler, vilket kan vara fördelaktigt för kontrollerad frisättning av terapeutiska medel

. Parametrar som monomerkoncentration, mängd tvärbindningsmedel och polymerisationstemperatur påverkar avsevärt de mekaniska egenskaperna hos dessa hydrogeler, vilket är avgörande för deras prestanda i bärbara applikationer.

Fördelar

Flexibla hydrogelfilmer har många fördelar som gör dem särskilt lämpade för användning i bärbara enheter. Dessa fördelar härrör från deras unika egenskaper, såsom biokompatibilitet, mekanisk flexibilitet och lyhördhet för miljöstimuli.

Biokompatibilitet

En av de viktigaste fördelarna med flexibla hydrogelfilmer är deras biokompatibilitet. Dessa hydrogeler består till stor del av naturliga polymerer och efterliknar den extracellulära matrisen (ECM) i biologiska vävnader, vilket gör dem lämpliga för tillämpningar inom vävnadsteknik och medicintekniska produkter.

. Deras kompatibilitet med celler och kroppsvätskor minimerar risken för biverkningar och ökar därmed säkerheten för bärbara enheter som kommer i direkt kontakt med huden.

Mekanisk flexibilitet

Flexibla hydrogelfilmer har en inneboende mekanisk flexibilitet som gör att de kan anpassa sig till människokroppens konturer. Denna egenskap ger komfort under användning och gör det möjligt för enheten att bibehålla sin funktionalitet under rörelse. Deras mjuka och töjbara natur bidrar till att minska tryckpunkter och irritation som kan uppstå med styvare material, vilket gör dem idealiska för långvarig användning i bärbar teknik.

.

Responsivt beteende

Hydrogeler kan konstrueras för att reagera på olika miljöstimuli, t.ex. temperatur, pH eller fuktnivåer. Temperaturkänsliga hydrogeler kan till exempel övergå mellan vätske- och geltillstånd baserat på kroppstemperaturen, vilket underlättar läkemedelstillförsel eller biosensoriska tillämpningar.

. Detta responsiva beteende förbättrar inte bara funktionaliteten hos bärbara enheter utan möjliggör också övervakning i realtid och anpassningsbara svar på fysiologiska förändringar.

Förbättrad läkemedelstillförsel

Hydrogeler kan fungera som effektiva bärare för kontrollerad frisättning av läkemedel. Deras förmåga att svälla eller dra ihop sig som svar på stimuli möjliggör en exakt modulering av läkemedelsfrisättningsprofilerna, vilket är särskilt fördelaktigt i terapeutiska tillämpningar i bärbara enheter. Denna egenskap möjliggör en långvarig och målinriktad läkemedelstillförsel, vilket potentiellt kan förbättra patienternas följsamhet och de terapeutiska resultaten.

.

Sårläkande egenskaper

Den vattenabsorberande förmågan hos hydrogelbaserade förband är en annan viktig fördel. Dessa material kan absorbera sårvätska och bidrar till att upprätthålla en fuktig miljö som främjar läkning. Den höga absorptionsförmågan bidrar till temperaturreglering vid sårstället, vilket ytterligare främjar läkningen och minimerar infektionsrisken.

.

Tillämpningar

Flexibla hydrogelfilmer håller på att revolutionera bärbara enheter genom att förbättra deras funktionalitet och komfort. Dessa material, som kombinerar hydrogelernas egenskaper med flexibel elektronik, har ett brett spektrum av tillämpningar inom hälsoövervakning och smarta textilier.

Övervakning av hälsa

Ett av de främsta användningsområdena för flexibla hydrogelfilmer är hälsoövervakning. Bärbara enheter som smartklockor och fitness trackers använder dessa filmer för att fånga upp fysiologiska data. Hydrogelbaserade sensorer kan mäta vitala tecken som hjärtfrekvens, blodtryck och kroppstemperatur, vilket ger användarna hälsoinsikter i realtid.

. Denna teknik möjliggör kontinuerlig övervakning av hälsotillståndet, vilket är särskilt fördelaktigt för personer med kroniska sjukdomar.

Smarta textilier

Inom området smarta textilier gör flexibla hydrogelfilmer det möjligt att skapa E-textilier - tyger som är inbäddade med elektroniska komponenter. Dessa plagg ger inte bara komfort och stil utan möjliggör också dynamisk anpassning och funktionalitet genom inbäddade sensorer

. Smarta kläder kan t.ex. känna av rörelser, spåra fysisk aktivitet och övervaka biometriska data, samtidigt som de är lätta och flexibla.

Diagnostiska möjligheter

Flexibla hydrogelfilmer har också visat sig ha potential för diagnostiska tillämpningar. Bärbara biosensorer tillverkade av hydrogeler kan till exempel upptäcka biomarkörer som är relaterade till specifika hälsotillstånd och bidra till tidig upptäckt av sjukdomar som COVID-19

. Dessa sensorers förmåga att interagera med kroppsvätskor gör det möjligt att få en mer heltäckande bild av en individs hälsostatus.

Interaktion med omgivningen

En annan viktig tillämpning är utvecklingen av utrustning som interagerar med omgivningen. Hydrogelfilmer kan utformas så att de reagerar på olika stimuli, t.ex. temperatur och luftfuktighet, vilket gör det möjligt att skapa responsiv bärbar teknik. Detta kan förbättra användarupplevelsen genom att ge personlig feedback baserad på miljöförhållanden.

.

Prestandaegenskaper

Flexibla hydrogelfilmer erbjuder en rad prestandaegenskaper som gör dem särskilt fördelaktiga för bärbara enheter. Deras unika egenskaper möjliggör en effektiv integrering i olika applikationer, särskilt inom hälsoövervakning och energilagring.

Mekaniska egenskaper

Hydrogeler uppvisar en anmärkningsvärd mekanisk styrka och elasticitet, vilket gör att de kan motstå stora påfrestningar utan att gå sönder. Dessa material klarar dragpåkänningar på upp till 30% samtidigt som de bibehåller sin integritet under flera cykler, vilket gör dem lämpliga för dynamiska applikationer som bärbara sensorer som kräver frekvent böjning och sträckning

. Deras höga elasticitet säkerställer att de inte delaminerar eller deformeras, vilket är avgörande för att bibehålla funktionaliteten under användning.

Vidhäftning och formbarhet

Hydrogelfilmernas vidhäftningsegenskaper är avgörande för deras användning i bärbara enheter. Dessa filmer kan fästa på huden genom effektiva gränssnittsinteraktioner, vilket avsevärt förbättrar deras användbarhet. Med introduktionen av smarta och vattenhaltiga hydrogeler förbättras vidhäftningen ytterligare, vilket gör att enheterna kan sitta säkert på plats när de bärs, vilket är avgörande för korrekt datainsamling

.

Biokompatibilitet

Biokompatibilitet är en avgörande faktor vid utvecklingen av bärbara enheter för hälsoövervakning. Flexibla hydrogeler är utformade för att vara giftfria och kompatibla med mänsklig hud, vilket minimerar risken för irritation eller biverkningar vid långvarig användning. Denna egenskap är särskilt viktig för produkter som är avsedda för kontinuerlig hälsoövervakning, t.ex. produkter som registrerar hjärtfrekvens eller glukosnivåer.

.

Elektrisk konduktivitet

Avancerade hydrogelformuleringar kan uppnå hög elektrisk ledningsförmåga, vilket är nödvändigt för att sensorer och elektroniska komponenter i bärbara enheter ska fungera. Ledningsförmågan är en viktig egenskap som möjliggör dataöverföring i realtid och därmed förbättrar funktionaliteten hos hälsoövervakningssystem och andra elektroniska applikationer.

.

Tillförlitlighet och robusthet

Tillförlitligheten hos bärbara enheter påverkas i hög grad av de material som används i konstruktionen. Hydrogelfilmer ger robusthet mot miljöfaktorer som fukt och temperaturvariationer. Eftersom de är töjbara minskar sannolikheten för mekaniska fel, vilket är ett vanligt problem för traditionella bärbara enheter. Tidiga studier visar att flexibla hydrogeler framgångsrikt kan hantera många tillförlitlighetsutmaningar och säkerställa att enheterna förblir funktionella över tid, även under svåra förhållanden.

.

Utmaningar och begränsningar

Integreringen av flexibla hydrogelfilmer i bärbara enheter innebär olika utmaningar och begränsningar som måste hanteras för att optimera funktionaliteten och användarupplevelsen.

Komplex tillverkning

En av de största utmaningarna vid tillverkningen av flexibla hydrogelfilmer är den komplicerade tillverkningsprocessen. Tekniker som att bädda in elektroniska komponenter i hydrogeler kräver precision och kan leda till högre produktionskostnader. Olika metoder för att skapa e-textilier inkluderar sömnad, vävning och stickning, som alla har sina egna svårigheter när det gäller att säkerställa en sömlös integrering av elektronik utan att kompromissa med materialets flexibilitet och komfort.

.

Tillförlitlighetsfrågor

Bärbara enheter som använder hydrogelfilmer står inför unika tillförlitlighetsutmaningar jämfört med traditionell elektronik. Faktorer som begränsad skärmyta, okonventionella former och överflöd av sensordata kan bidra till potentiella mjukvarubuggar och felsituationer. Till exempel kan hög aktivitet i användargränssnittet leda till resursbrist, vilket gör att enheter hänger sig eller inte fungerar

. Dessutom är frågor som rör noggrannheten i datainsamlingen avgörande, särskilt när dessa enheter är avsedda för hälsoövervakning eller behandling.

Användarnas integritet och datasäkerhet

Användningen av hydrogelfilmer i bärbar teknik ger också upphov till betydande problem när det gäller integritet och datasäkerhet. Eftersom dessa enheter ofta samlar in känslig hälsoinformation blir frågor som rör samtycke till datainsamling och åtkomst från tredje part av största vikt. Tidigare incidenter, t.ex. med Google Glass, har visat på risken för integritetsintrång, där användarinformation har registrerats utan vederbörligt samtycke, vilket har lett till misstro bland användarna

.

Miljöfaktorer

Miljöförhållanden, som temperatur och luftfuktighet, kan påverka hydrogelfilmernas prestanda och livslängd. Dessa material kan uppvisa variationer i elektriska egenskaper under olika miljöbelastningar, vilket påverkar deras tillförlitlighet i verkliga tillämpningar. Kontinuerlig övervakning och anpassning är nödvändig för att säkerställa konsekvent prestanda under olika förhållanden

.

Godkännande av användare

Slutligen kan användarnas acceptans av bärbara enheter med flexibla hydrogelfilmer hindras av estetiska och komfortmässiga faktorer. Användarna kan ha invändningar mot utseendet och känslan hos sådana enheter, vilket kan påverka deras vilja att använda tekniken. Därför måste designen balansera funktionalitet med användarvänliga egenskaper för att förbättra den övergripande acceptansen och tillfredsställelsen.

.

Framtidsutsikter

Framsteg inom hydrogelteknik

Framtiden för flexibla hydrogelfilmer i bärbara enheter verkar lovande, särskilt på grund av de pågående framstegen inom hydrogeltekniken. Forskarna fokuserar alltmer på att utveckla hydrogeler som reagerar dynamiskt på biologiska förhållanden, t.ex. pH-nivåer och temperaturförändringar

. Dessa stimulusresponsiva hydrogeler skulle kunna förbättra funktionaliteten hos bärbara enheter och möjliggöra mer exakt övervakning och interaktion med kroppen, särskilt i tillämpningar som kontrollerade läkemedelsleveranssystem och biosensorer.

Integration med bärbar teknik

I takt med att Internet of Things (IoT) fortsätter att expandera förväntas integrationen av hydrogelbaserade material i bärbar teknik att öka. Bärbara enheter kan dra nytta av hydrogelernas unika egenskaper, inklusive deras förmåga att absorbera kroppsvätskor och efterlikna strukturen i den extracellulära matrisen (ECM), vilket förbättrar användarkomforten och enhetens prestanda

. Denna synergi förväntas leda till effektivare applikationer för hälsoövervakning, vilket bidrar till områden som hantering av kroniska sjukdomar och individanpassad medicin.

Marknadstillväxt och applikationer

Marknaden för bärbar teknik förväntas se en betydande tillväxt och beräknas överstiga $34 miljarder 2020

. Med konsumenternas ökande intresse för hälso- och fitnessmätning kommer efterfrågan på avancerade material som hydrogeler sannolikt att öka. Tillämpningarna kan komma att utvidgas från traditionell fitnessspårning till att omfatta mer sofistikerade hälsoundersökningar, t.ex. kontinuerlig övervakning av glukosnivåer eller tidig upptäckt av infektioner. Hydrogelfilmernas anpassningsförmåga kan spela en avgörande roll för dessa framsteg, vilket gör dem oumbärliga i det bärbara tekniklandskapet.

Utmaningar och forskningsinriktning

Trots de potentiella fördelarna återstår flera utmaningar när det gäller utvecklingen av hydrogelfilmer för bärbara enheter. Frågor som långsiktig stabilitet, biokompatibilitet och hydrogelernas mekaniska egenskaper måste hanteras för att säkerställa att de klarar den dagliga användningen med bibehållen prestanda

. Framtida forskning kommer sannolikt att inriktas på att förbättra hållbarheten och effektiviteten hos dessa material och utforska nya formuleringar och tvärbindningsmetoder för att optimera deras prestanda i verkliga tillämpningar.