摘要：可穿戴生物设备正加速重构健康监测与医疗诊断的技术框架，而二维材料凭借原子级结构带来的独特性能，成为突破传统设备 “僵硬、低敏、功能单一” 瓶颈的核心力量。北京航空航天大学李景、北京理工大学刘建丽等人的综述，系统剖析了二维材料在该领域的技术逻辑与应用落地路径，其
可穿戴生物设备正加速重构健康监测与医疗诊断的技术框架，而二维材料凭借原子级结构带来的独特性能，成为突破传统设备 “僵硬、低敏、功能单一” 瓶颈的核心力量。北京航空航天大学李景、北京理工大学刘建丽等人的综述，系统剖析了二维材料在该领域的技术逻辑与应用落地路径，其核心价值可从以下维度深入展开：
二维材料的结构特性与物理化学属性，从根本上解决了传统硬质电子材料与生物组织的 “适配性矛盾”，具体优势体现在三方面：
机械适配性：实现 “类皮肤” 贴合原子级厚度（如石墨烯单原子层、MXene 纳米片）使材料具备超高柔韧性，可随皮肤褶皱、关节活动自由变形，避免传统设备因 “僵硬” 导致的脱落或信号失真。例如 TPU-BNNS 应变传感器在 0-100% 应变下循环 30 次以上，饱和温度波动仅 ±0.5℃，即使在关节反复屈伸场景中，仍能保持稳定的机械响应。范德华相互作用支持材料与生物组织形成 “弱结合”，既保证紧密贴合（如石墨烯电子纹身可直接贴附皮肤表面），又避免对皮肤产生刺激，长期佩戴舒适度显著提升。基于二维材料的传感器已实现对人体生理信号的 “全场景捕捉”，从体表机械动作到体内代谢产物，构建起多维度健康监测网络：
物理信号监测：精准捕捉 “运动 + 温度” 动态机械信号方面，三维电容式触摸传感器通过石墨烯电极的电容变化，可识别手指靠近（距离 5 mm 内）的细微动作，映射图分辨率达 1 cm×1 cm；MXene/PVDF 复合织物压电势传感器则能监测步态，区分行走、跑步、跳跃等不同运动状态，步态识别准确率超 95%。温度信号方面，PU / 石墨烯封装 PEDOT:PSS 纤维织物在 36.1-37.8℃体温区间，电流响应误差小于 0.1℃，且在 240 秒内电阻稳定性保持在 98% 以上；MoS₂温度传感器即使在 10000 次弯曲循环后，灵敏度衰减仍低于 10%，适合长期体温监测。二维材料推动可穿戴设备从 “被动数据采集” 向 “主动健康干预” 升级，核心实现三大功能集成：
自供电技术：摆脱外部电源依赖摩擦发电模式：MXene/PVA 水凝胶器件通过手部书写动作的机械挤压，产生的开路电压最高达 32 V，短路电流约 15 μA，可直接为小型传感器供电；GO/SF/LiBr 复合器件则能通过呼吸时的气流振动发电，监测呼吸频率的同时实现能源自给。生物燃料发电模式：无电池生物燃料电池利用汗液中的葡萄糖与氧气反应，产生的功率密度可达 4.0 μW/cm²，满足心率传感器、温度传感器等低功耗设备的持续供电需求，且发电过程无有害物质产生，生物相容性良好。当前二维材料可穿戴设备仍需跨越三大核心障碍，针对性解决方案已逐步落地：
长期稳定性：应对生物环境腐蚀封装技术优化：通过 SU-8 光刻胶、PDMS 等材料构建保护层，隔绝汗液、皮脂等腐蚀性物质，如石墨烯 - Nafion 复合传感器经 SU-8 封装后，可循环再生 80 次，检测精度仍保持初始状态的 90% 以上。表面改性：在二维材料表面沉积 AgNP、PtNP 等纳米颗粒，提升抗腐蚀能力，如 MXene 电极经 AgNP 改性后，在汗液中浸泡 72 小时，阻抗变化小于 10%，远低于未改性电极（阻抗变化超 50%）。规模化制造：降低成本与工艺复杂度卷对卷（roll-to-roll）印刷技术：实现二维材料薄膜的连续制备，如石墨烯电极通过卷对卷印刷，生产效率较传统光刻技术提升 10 倍，成本降低 60%；目前该技术已用于批量生产柔性温度传感器，月产能达 10 万片。原子层沉积（ALD）技术：精确控制二维材料异质结的厚度与成分，如 In₂O₃/g-C₃N₄异质结通过 ALD 制备，层间结合力提升 30%，传感器重复性与稳定性显著改善。深层信号获取：突破皮肤屏蔽限制植入式设备开发：石墨烯多阵列柔性微电极可植入大鼠皮质，记录 16 kHz 刺激下的神经活动，信号分辨率达 10 μV；石墨烯心脏贴片则能直接贴合心肌表面，监测心室、心房电信号，为心律失常诊断提供精准数据。超声辅助传感：通过二维材料与超声技术结合，穿透皮肤与肌肉骨骼系统，如 MXene 超声传感器可检测深层组织的血流速度，误差小于 5 cm/s，为高血压、动脉粥样硬化等疾病的早期诊断提供新手段。二维材料可穿戴设备的下一阶段发展将聚焦两大核心方向，进一步拓展医疗应用边界：
“微型化 + 无线化”：实现 “隐形监测”微型化方面，NFC 无线供电的柔性接触镜直径仅 12 mm，厚度不足 0.1 mm，通过石墨烯电极监测眼表炎症标志物，数据可实时传输至手机 APP，适合长期隐形佩戴；其生物相容性通过 ISO 10993 认证，对角膜无刺激。无线化方面，蓝牙低功耗（BLE）模块与二维材料传感器集成，如石墨烯汗液传感器通过 BLE 5.0 协议，可实现 10 米内数据传输，功耗仅为传统无线模块的 1/3，一次充电可连续使用 7 天。“生物相容性升级”：推动 “可降解医疗”可降解二维材料开发：Mg 基 MXene、ZnO/g-C₃N₄等材料在体内可逐步降解为无害物质，如可降解微针贴片在释放药物后，14 天内可完全降解，避免二次手术取出；目前该技术已在小鼠皮肤创面治疗中验证，创面愈合速度较传统贴片提升 50%。细胞相容性优化：通过表面接枝聚乙二醇（PEG）、胶原蛋白等生物分子，降低二维材料对细胞的毒性，如石墨烯电极接枝 PEG 后，细胞存活率从 75% 提升至 95%，为长期植入设备提供安全保障。二维材料正以 “性能重构 - 功能集成 - 场景渗透” 的逻辑，推动可穿戴生物设备从健康监测工具升级为智能医疗系统。其不仅能实现 “实时化、个性化” 的健康管理，更有望打破 “诊断 - 治疗” 的时空壁垒，为慢性病管理、微创手术、康复治疗等领域提供全新技术范式，最终推动医疗模式从 “被动治疗” 向 “主动预防” 转型。
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