高精度柔性可穿戴汗液传感器，实现精神压力评估
2024-08-03 09:55:00 来源：麦姆斯咨询 评论：0 点击：
为了有效收集汗液并准确识别标志物，中国科学院苏州生物医学工程技术研究所和青岛大学的科研人员联合开发了一种具有优异可靠性和灵敏度的柔性可穿戴皮质醇检测传感器。
我们的身体需要感受压力来适应不断变化的环境。然而，长期的心理压力会导致各种精神障碍，包括抑郁、焦虑和创伤后应激障碍。过度的压力也会严重影响个人的健康，并可能导致长期的免疫功能障碍。皮质醇作为一种存在于人体内的应激激素，可以反映日常生活中的心理压力和健康状况，是机体应激反应的潜在生物标志物。
据麦姆斯咨询报道，近日，为了有效收集汗液并准确识别标志物，中国科学院苏州生物医学工程技术研究所和青岛大学的科研人员联合开发了一种具有优异可靠性和灵敏度的柔性可穿戴皮质醇检测传感器。分子印迹聚合物（MIP）确保了皮质醇的特异性。电极上的碳纳米管（CNT）提高了灵敏度，将检测范围扩大到10⁻³至10⁴ nM，灵敏度为189.2 nA/lg(nM)。此外，多孔壳聚糖水凝胶（PCSH）可有效收集汗液，其粘附性和80%的溶胀率为微流控技术提供了一种低成本的替代方案。柔性印刷电路板（FPCB）和蛇形电极（SE）确保了传感器的耐用性。这种非侵入性、高灵敏度的传感器为精神压力监测和临床诊断提供了一种新方法，推进了人体生理状态监测的发展。相关研究成果以“High-precision flexible sweat self-collection sensor for mental stress evaluation”为题发表在npj Flexible Electronics期刊上。
用于精神压力分析的集成可穿戴汗液传感器贴片示意图
MIP将皮质醇与吡咯（Py）结合形成高度特异性的空腔结构，模拟天然受体和配体之间的相互作用。与其它传感器技术相比，MIP传感器的制造工艺通常不需要复杂的合成步骤或昂贵的材料，因此具有广泛的应用潜力。为了提高汗液中皮质醇的检测效率，研究人员将CNT沉积在MIP的基底上，以提高其比表面积。
皮质醇与电极结合的验证
在昼夜周期中，皮质醇水平通常在早上达到峰值，然后逐渐下降，直到晚上达到最低点。急性体力活动的刺激下，皮质醇水平往往会暂时升高。在运动或冷压试验（CPT）中，人体会释放皮质醇来调节身体的新陈代谢和能量消耗，汗液中的皮质醇含量在受到外部刺激时会上升到约250 nM。
志愿者参与的实际测试
为了满足个性化的心理健康需求，研究人员设计了一款由FPCB和SE组成的心理压力可穿戴传感器。为了更好地适应人体，传感电极采用SE设计，可提供更好的可扩展性和柔性。实验结果表明，该柔性可穿戴传感器具有较高的灵敏度和特异性，能有效检测汗液中皮质醇的含量。同时，样品处理简单，检测过程快捷方便。
柔性测试设备的集成和测试
在这项工作中，研究人员旨在通过解决传统皮质醇测量方法的局限性，例如繁琐的处理和低通量化，开发了一种可高效、准确评估心理压力的可穿戴传感器。结果表明，该方法具有较高的稳定性、灵敏度和特异性，并且样品处理简单。实验中使用的PCSH和MIP在皮质醇浓度检测方面表现出优异的性能。研究人员设计开发了基于MIP集成移动平台的汗液皮质醇浓度检测系统。该系统可以无创地监测并持续向用户设备传输与人体健康相关的生理指标。该系统的优点是其结合了MIP技术，为人体生理监测提供了一种新方法。
本研究的创新主要体现在以下几个方面：（i）MIP用于选择性鉴定皮质醇分子，与ELISA原理不同，大大提高了稳定性，更易于储存；（ii）CNT的沉积提高了电极的电学和机械性能，MIP的识别灵敏度大大提高；（iii）与微流控导管技术不同，PCSH方法收集汗液并作为导电介质，有效过滤汗液中的杂质并稳定电流分析。（iv）集成式小型可穿戴传感器、独特的SE结构和FPCB的使用满足了日常生活的需求。
基于触摸的皮质醇传感在无创和实时监测皮质醇水平方面具有很大的潜力，有可能应用于压力管理、健康监测和医疗诊断。为了进一步推进该领域的发展，需要持续的研究和开发，重点是提高传感器的性能和解决实际实施中的问题。
论文链接：https://www.nature.com/articles/s41528-024-00333-z
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