物理與化學的結合，成就一篇Nature Biomedical Engineering
小奇
2021-03-04
可穿戴式傳感器可以與人類皮膚連接，以遠程監測生理參數，例如心率或血液中的葡萄糖濃度。但是，在一臺設備中集成不同傳感器模式（即物理傳感器和化學傳感器）仍然具有挑戰性。近日，美國加州大學圣地亞哥分校Joseph Wang和徐升教授等人在Nature Biomedical Engineering上發表了一篇研究論文稱，開發了一種非侵入式可穿戴傳感器，用于連續、同時監測人體的血流動力學和化學信號，包括血壓、心率和多種生化標記物。而且，Nature Reviews Materials雜志對其進行重點報道。研究人員通過集成不同的剛性和軟傳感器組件來設計可穿戴貼片，這些組件包括壓電鋯鈦酸鉛超聲換能器、離子電滲透和碳復合電化學換能器。1）超聲波換能器發射超聲波脈沖并感知動脈的回聲，從而能夠測量心率和血壓。2）同時，毛果蕓香堿經皮給藥刺激汗液的產生，并通過離子電滲透提取間質液。3）然后分別用計時電流法和微分脈沖伏安法測定汗液中的乳酸、酒精和咖啡因，并分析間質液中的葡萄糖濃度。這在以前從未實現過在單個保形設備上同時對生物標志物和血壓進行非侵入式監測的情況。重要的是，通過應用溶劑焊接工藝，可以將聲換能器和電化學換能器在空間上分開，以防止信號串擾。另外，利用基于苯乙烯-乙烯-丁烯-苯乙烯嵌段共聚物（SEBS）的可拉伸材料，經過改進的傳感器組裝過程，可以快速，可靠地制造可拉伸和共形的表皮傳感器，以進行聲學和電化學傳感。反復的機械變形測試表明，電化學傳感器和聲學傳感器具有出色的耐久性和可靠性。另外，研究人員在健康志愿者身上測試了可穿戴式傳感器，證明該傳感器可以使日常活動（例如運動，飲酒和飲食）與血壓、心率和生物標志物水平的變化相關聯。這種聲學和電化學傳感提供了用戶生理狀態的連續監測及其對多種日常活動和刺激的反應。因此，這種多模態可穿戴技術已被證明有助于將日常活動（如運動、飲酒和進食）與血壓、心率和生物標記物水平的變化相關聯。這些令人鼓舞的結果支持了在單一適形可穿戴貼片上開發化學和物理傳感器復雜集成的混合可穿戴傳感器的可能性，用于同時監測多個相關參數。只有明智地選擇材料、優化結構工程和考慮高通量制造工藝，才能實現可靠和全面的表皮傳感器集成。雖然集成設備顯示出吸引人的特點，但仍需要對血壓、心率和代謝物的測量進行以下改進。（i） 集成貼片依賴于IP毛果蕓香堿對汗液的刺激，由于毛果蕓香堿的消耗，限制了其使用。換成長期的刺激汗液的藥物（例如卡巴膽堿）可以用來延長手術時間，并使用單個刺激汗液的步驟進行多次測量。（ii）測試多重貼片設計，以便進行全面的多分析物監測。（iii）結合一個出汗率傳感接口，以使ISF標記讀數正常化，或使用抑汗藥物以及一個內標物（鈉），以解決被動出汗對ISF的潛在稀釋。（iv）對包括糖尿病和心血管疾病患者在內的眾多健康狀況不同的個體進行廣泛驗證。（v） 通過開發具有集成超聲波和多恒電位功能的電子設備，以及信號處理和無線傳輸功能，使設備完全小型化。未來可以開發一個獨立的聲學傳感接口電路，再加上人工智能輔助信號處理，將把現有設備完全轉變為一個全面的皮膚傳感系統。該設備代表著朝著多模態可穿戴傳感器邁出的第一步，并朝著遠程健康轉型邁出了第一步。因此，它為一系列皮膚保形工具鋪平了道路，這些工具可以提供有關人類健康狀況的高質量和高密度信息，并為能夠進行化學-電生理-物理混合監測的下一代可穿戴貼片奠定了基礎。1. Sempionatto, J.R., Lin, M., Yin, L. et al. An epidermal patch for the simultaneous monitoring of haemodynamic and metabolic biomarkers. Nat Biomed Eng (2021).https://doi.org/10.1038/s41551-021-00685-12. Horejs, C. All in one patch. Nat Rev Mater (2021). https://doi.org/10.1038/s41578-021-00297-w
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