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嘉峪檢測網(wǎng) 2023-01-16 08:19
理想的醫(yī)療保健系統(tǒng)會在疾病發(fā)作前提供健康狀況監(jiān)測和治療。當(dāng)患者表現(xiàn)出不理想的健康狀況時，系統(tǒng)將能夠檢測并解決問題。因此，迫切需要一種方法，使個人能夠在不需要昂貴設(shè)備或訓(xùn)練有素的專業(yè)人員參與的情況下監(jiān)測自己，以便及早發(fā)現(xiàn)和及時管理疾病。
隨著醫(yī)療診斷技術(shù)的發(fā)展，可穿戴生物傳感器的領(lǐng)域正在增長，它為當(dāng)前的醫(yī)療問題提供了創(chuàng)新的解決方案。近年來，可穿戴電子設(shè)備迅速發(fā)展，通過對生物流體中的生化標(biāo)記物的動態(tài)、無創(chuàng)測量，提供連續(xù)、實時的生理信息，可準(zhǔn)確測量心率、體溫和血壓等生命體征，幫助描述和監(jiān)測個人健康狀況。生物流體（如汗液、眼淚、唾液或組織液）因其易于取樣而成為分析物，并顯示出通過了解人體更深層次的生物分子狀態(tài)提供連續(xù)、實時生理信息的潛力。
與其他生物流體相比，汗液中含有豐富的分析物，這些分析物可以傳遞身體的生理信息，并與血液水平密切相關(guān)，在可穿戴傳感方面具有巨大優(yōu)勢。自2013年首次提出用于實時分析乳酸的可穿戴式汗液傳感器以來，已經(jīng)陸續(xù)實現(xiàn)了對汗液中電解質(zhì)、代謝產(chǎn)物、藥物、微量元素等的監(jiān)測。
近日，一組來自中國的研究團隊在雜志Microsystems & Nanoengineering上發(fā)表了一篇題為“Wearable and flexible electrochemical sensors for sweat analysis: a review”的綜述文章。文章綜述了可穿戴電化學(xué)汗液傳感器的最新進展。首先總結(jié)了汗液用于可穿戴式汗液傳感的優(yōu)勢，介紹了汗液中反映人體生理信息的各種分析物，并強調(diào)了汗液刺激和收集的方法。第二，展示了可穿戴電化學(xué)汗液傳感器的組件。第三，介紹了一些典型的傳感裝置，這些裝置在不同分析物的可穿戴電化學(xué)汗液傳感器的發(fā)展史上具有重要意義。最后總結(jié)了可穿戴式汗液傳感器的未來挑戰(zhàn)和可能的發(fā)展方向?？纱┐麟娀瘜W(xué)汗液傳感器在生物醫(yī)學(xué)傳感方面具有巨大的優(yōu)勢和潛力。
圖片來源：Microsystems & Nanoengineering
主要內(nèi)容
汗液作為分析樣本的優(yōu)勢
幾種候選生物流體（血液、尿液、淚液以及唾液）在可穿戴傳感方面都有局限性。與其他生物流體相比，汗液在可穿戴傳感方面具有巨大優(yōu)勢。汗液含有豐富的物質(zhì)，可以在分子水平上指示身體的健康狀態(tài)，并以無創(chuàng)方式獲取汗液，這是連續(xù)監(jiān)測的理想選擇。
汗液中含有豐富的生物標(biāo)志物：電解質(zhì)（如鈉——脫水及電解質(zhì)失衡、鉀——脫水及肌肉痙攣、氯化物——囊性纖維化、銨——有氧向無氧過渡中的變化、鈣——骨髓瘤、酸堿平衡紊亂、肝硬化、腎衰竭）、代謝產(chǎn)物（如葡萄糖——糖尿病、乳酸——組織活力、尿酸——腎臟疾病及痛風(fēng)）、微量元素（如鐵、鋅——身體壓力和免疫系統(tǒng)引起的肌肉損傷、銅——類風(fēng)濕關(guān)節(jié)炎、威爾遜病和肝硬化）、小分子（如皮質(zhì)醇——壓力、尿素、酪氨酸——代謝紊亂）、神經(jīng)肽——抑郁癥和細(xì)胞因子——胰島素活性及癌癥治療中的免疫反應(yīng)。（如下表）。
汗液和相關(guān)健康狀況的關(guān)鍵分析物。圖片來源：Microsystems & Nanoengineering
汗液刺激
汗液樣本可以通過兩種方法獲得：被動方法和主動方法。在被動方法中，人們通過跑步、騎自行車或進行其他體育鍛煉等方式進行劇烈運動，以誘導(dǎo)充足的汗液分泌。離子電滲法是一種廣泛使用的主動汗液誘導(dǎo)方法，允許在身體靜止時采集汗液樣本。如圖a所示，通過在離子電滲電極之間施加電壓，在皮膚表面下產(chǎn)生電流，使激動劑在陽極處被輸送到汗腺，并刺激汗液分泌。該方法已用于監(jiān)測氯化物、乙醇和葡萄糖的水平。
與單一生物流體監(jiān)測相比，同時分析汗液和ISF可以擴大檢測生物標(biāo)志物的范圍，提高臨床準(zhǔn)確性。圖c顯示了一項研究，成功地實現(xiàn)了汗液中酒精和ISF中葡萄糖的同時檢測，擴大了可檢測生物標(biāo)志物的范圍并提高檢測結(jié)果的準(zhǔn)確性。
基于離子電滲的可穿戴式汗液傳感器的示例。圖片來源：Microsystems & Nanoengineering
汗液收集和微流體裝置
有兩種方法可以采集汗液樣本。一種方法是使用一次性紗布、吸收墊、手臂袋和手套來吸汗。一些商業(yè)的汗液收集裝置將皮膚產(chǎn)生的汗液導(dǎo)入密封室。一種有前途的方法是將產(chǎn)生的汗液通過微流體管引導(dǎo)到儲液器中，用于樣品存儲和分析。除了將汗腺本身用作驅(qū)動流體的壓力源之外，毛細(xì)管力、滲透壓和蒸發(fā)泵都可以激活汗液輸送。毛細(xì)管力促進汗液沿著微流體通道流動（圖a）。水凝膠和汗液之間存在滲透壓差，因此流體被泵入微通道（圖c）。此外，通過在微流體芯片的出口處設(shè)計微孔，蒸發(fā)驅(qū)動微泵可以有效地實現(xiàn)汗液的連續(xù)流動。通過改變微孔的數(shù)量或形狀可以容易地控制流速（圖d）。
微流體汗液傳感器的示例。圖片來源：Microsystems & Nanoengineering
電化學(xué)汗液傳感器組件
材料選擇：可穿戴汗液傳感器的基本材料要求是符合皮膚的幾何形狀，這需要在保持理想的電化學(xué)和機械穩(wěn)定性的同時滿足靈活性和可拉伸性。目前，柔性傳感器常用的材料是織物、紙張、柔性聚合物和塑料（如下圖）。
傳統(tǒng)的柔性基材目前主要由聚合物組成，例如PET、PI、PDMS、PU和PMMA。然而，這些基質(zhì)和表皮之間的不匹配導(dǎo)致汗液積聚，使測試結(jié)果不準(zhǔn)確。它們的透氣性和拉伸性也很差，因此只能在短時間內(nèi)用于皮膚。
基于織物的平臺為底層皮膚提供自然透氣性，促進自然出汗和蒸發(fā)冷卻，并且具有高度的柔韌性、柔軟性和舒適性。紙張也是一種理想的基材，具有成本低、易于制備、良好的生物相容性和親水性的固有芯吸能力等優(yōu)異性能。通過親水性和疏水性材料改性、蠟染、噴墨打印和光刻，可以相對容易地在紙基設(shè)備中生成自吸汗微流體通道。此外，石墨烯由于其快速的電子遷移率、高電流密度和大表面積而在電化學(xué)傳感中具有誘人的應(yīng)用。絲綢衍生的碳纖維織物作為可穿戴電化學(xué)傳感器的工作電極具有很好的前景。
由不同材料制成的可穿戴汗液傳感器示例。圖片來源：Microsystems & Nanoengineering
電源組件：就實用性而言，可穿戴設(shè)備需要長時間連續(xù)運行的能力。因此，降低功耗和開發(fā)高效的可穿戴能源系統(tǒng)是可穿戴設(shè)備的主要考慮因素。當(dāng)前可穿戴能源分為兩大類：鋰離子電池和能量采集設(shè)備。
為了滿足可穿戴電子設(shè)備不斷增長的電力需求，可穿戴系統(tǒng)集成了太陽能電池、摩擦電納米發(fā)電機（TENG）和微生物生物燃料電池（BFC）等能量收集設(shè)備，以實現(xiàn)自我可持續(xù)運行。下圖a顯示了一款智能手表，使用柔性光伏電池進行能量收集/轉(zhuǎn)換，并使用柔性鋅錳電池作為能量存儲設(shè)備，在沒有外部充電設(shè)施的情況下連續(xù)監(jiān)測汗液葡萄糖水平。BFCs可以將生物流體中存在的葡萄糖、乳酸、尿酸和乙醇等分子轉(zhuǎn)化為能量，為可穿戴式汗液傳感器提供動力。下圖c顯示了乳酸燃料電池最近已成功地集成到多模態(tài)可穿戴汗液傳感器中。TENG通過感應(yīng)和摩擦電效應(yīng)的耦合將人類運動產(chǎn)生的機械能轉(zhuǎn)換為電能，可以在密集的體力活動中為可穿戴的汗液傳感器供電，如圖d所示。
自供電傳感器示例。圖片來源：Microsystems & Nanoengineering
典型的可穿戴電化學(xué)汗液傳感器
作者還在文中詳細(xì)列舉了電解質(zhì)和代謝產(chǎn)物的檢測、重金屬和毒品檢測、其他目標(biāo)檢測的典型例子，感興趣的同學(xué)可以自行下載文章參考，在此不贅述。
結(jié)論和展望
經(jīng)過多年的發(fā)展，柔性可穿戴電化學(xué)汗液傳感器已經(jīng)取得了巨大的進展。皮膚界面微流體、柔性可拉伸材料、自供電技術(shù)和多路傳感模式的研究正在推動可穿戴電化學(xué)汗液傳感器的發(fā)展。然而，必須進一步開發(fā)可穿戴電化學(xué)汗液傳感的許多方面，以推進該領(lǐng)域并實現(xiàn)個性化、智能化醫(yī)療：
走向綜合、多功能排汗分析：在可穿戴電化學(xué)傳感器的集成方面取得了巨大進展。現(xiàn)已轉(zhuǎn)向?qū)V泛生物標(biāo)志物的同時無創(chuàng)監(jiān)測。在未來，傳感器無疑將更加集成和智能。一方面，可以將更多功能集成到感測裝置中。基于機器學(xué)習(xí)或深度學(xué)習(xí)的高級大數(shù)據(jù)處理算法模塊將集成到傳感器中，以實現(xiàn)對收集數(shù)據(jù)的快速和準(zhǔn)確分析。另一方面，可以進一步開發(fā)集成化學(xué)、電生理和物理傳感器的多模態(tài)可穿戴傳感器，以將多種傳感模式集成到單個傳感平臺中，全面監(jiān)測人體生理信息。
提高汗液樣本的可靠性：在汗液中成功實現(xiàn)可靠和準(zhǔn)確的實時監(jiān)測，還需要解決幾個關(guān)鍵挑戰(zhàn)。首先，汗液傳感器需要同時監(jiān)測出汗率，識別和補償出汗率的影響，并全面了解生物標(biāo)志物分布機制及其對出汗率的依賴性。汗液分泌速率因個人或環(huán)境而異。理想的可穿戴傳感器必須具有良好的適應(yīng)性，以滿足不同出汗率下的檢測需求。第二，穿戴式汗液傳感器理想情況下應(yīng)該能夠根據(jù)需要選擇不同的汗液樣本采集方法。使用不同方法獲得的汗液樣品的成分可能不同。第三，應(yīng)采取措施盡量減少測試過程中汗液成分的變化。最后，汗液樣本的污染是一個亟待解決的問題。將汗液與皮膚表面隔離對于防止這些干擾化學(xué)物質(zhì)影響傳感器讀數(shù)至關(guān)重要。
高效能源利用裝置的開發(fā)：整合能源收集設(shè)備和尋找可持續(xù)的替代能源是一種很有前途的方法。從太陽能、身體運動和人體生物流體中獲取能量已經(jīng)成功實施。將多個能量收集設(shè)備集成到同一平臺中，并使用高效的能量存儲和控制將有助于改善能源供應(yīng)。同時，除了尋找替代能源，還可以研究一些節(jié)能解決方案。
用于檢測汗液中的低濃度分析物：汗液含有豐富的其他成分，包括激素、蛋白質(zhì)和肽。這些分析物的濃度很低，并且可以被包括pH和溫度在內(nèi)的因素改變。需要高度靈敏的可穿戴傳感器，其能夠通過有效的傳感模式監(jiān)測汗液中的低濃度分析物。通過有效控制微流體通道內(nèi)的汗液，微流體裝置允許在低濃度條件下快速準(zhǔn)確地檢測分析物?；贛IP的電化學(xué)傳感器被設(shè)計為通過目標(biāo)分析物的高度選擇性結(jié)合來實現(xiàn)靈敏的監(jiān)測。汗液中皮質(zhì)醇的檢測已經(jīng)實現(xiàn)，未來同樣的技術(shù)可以擴展到檢測其他激素和生物標(biāo)志物。對這些分子的測量技術(shù)和傳感器平臺的改進將使檢測能力擴展到一類新的生理相關(guān)分析物，為深入了解人體生理健康狀況提供額外的選擇。
安靜環(huán)境中汗液刺激和收集的改進方法：開發(fā)在安靜環(huán)境中誘導(dǎo)汗液分泌的方法對于疾病檢測等應(yīng)用至關(guān)重要。離子電滲方法已顯示出前景，但不能用于連續(xù)監(jiān)測。需要進一步開發(fā)具有降低的電流密度要求的高度小型化傳感器，該傳感器可以在低分泌率下工作。這也可以通過開發(fā)生物標(biāo)志物提取的替代技術(shù)來解決。
此外，身體在休息或熱刺激環(huán)境中的自然出汗可能為身體生理學(xué)提供獨特的見解。靜息汗液分泌速率可能反映潛在健康狀況引起的交感神經(jīng)系統(tǒng)活動。休息時出汗增加或減少將進一步表明自主神經(jīng)功能障礙、糖尿病、腦血管病、帕金森氏病、慢性心理壓力、焦慮或疼痛。利用親水材料的改進的微流體裝置或許可以解決這個問題；未來需要制定更有效的解決方案。
來源：小桔燈網(wǎng)
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