基于水凝胶的可穿戴传感器，用于监测固态表皮生物标志物
2024-08-23 15:42:32 来源：麦姆斯咨询 评论：0 点击：
基于水凝胶的新型可穿戴传感器包括离子-电子双层水凝胶，可监测来自人体皮肤的固态表皮生物标志物。该传感器连接到柔性印刷电路板，将感测数据无线传输到用户终端。
这款新型可拉伸、可穿戴传感器可以准确测量胆固醇和乳酸等人体生物标志物，这对疾病的早期监测至关重要。
基于水凝胶的新型可穿戴传感器的开发团队。该传感器可以直接测量人体皮肤中的胆固醇和乳酸等生物标志物。
快速、连续、便捷地测量人体重要的生物标志物可实现疾病的早期发现。据麦姆斯咨询报道，近期，新加坡国立大学（National University of Singapore，NUS）和新加坡科技研究局（Agency for Science, Technology and Research，A*STAR）的研究人员开发了一款新型可拉伸、可穿戴传感器，可以连续实时监测人体固态表皮生物标志物（SEB）——这是一种新的健康指标。
由新加坡国立大学健康创新与技术研究所、新加坡国立大学设计与工程学院生物医学工程系及健康研究所助理教授Liu Yuxin，以及新加坡科技研究局下属的材料与工程研究所（IMRE）首席科学家（Principal Scientist）兼传感器与柔性电子系主任Yang Le博士共同领导的研究团队，提供了一种非侵入性的创新方法，通过直接在皮肤上测量胆固醇和乳酸等生物标志物来判断人体健康状况。
该团队开发的基于水凝胶的可拉伸、可穿戴传感器克服了当前依赖生物流体样本（如血液、尿液和汗液）的局限性。这使得其成为可穿戴、连续、实时健康监测的有前景的替代方案，有助于心血管、中风等疾病的早期监测。这款传感器还可有效地监测运动员的乳酸水平——人体疲劳及组织缺氧的衡量指标，该指标直接影响运动员的状态。该传感器尤其适用于慢性病管理、全民疾病筛查、远程病人监测和运动生理学等领域。
该团队的研究成果以“Stretchable ionic–electronic bilayer hydrogel electronics enable in situ detection of solid-state epidermal biomarkers”为题发表在《自然材料》（Nature Materials）期刊上。新加坡科技研究局高性能计算研究所、分子与细胞生物学研究所以及新加坡南洋理工大学（Nanyang Technological University）均参与了该研究。
通过创新克服现有挑战
监测生物标志物（即在人体血液或其它体液中发现的化学物质，能够反映细胞或生物体在某一时刻的状况）传统上需要对血液、尿液和汗液等生物流体进行分析。此类方法虽然有效，但在实施中也有很多挑战。血液检查是侵入性的，很不方便，而尿液分析无法实时进行，很麻烦。从汗液中测量生物标志物虽然是非侵入性的，但人们在非运动期很难获取足够多的汗液，而使用诱导排汗的方法会带来人体不适，因此受到了诸多限制。上述监测方式均对疾病的早期诊断和治疗造成障碍。
固态表皮生物标志物提供了一个引人注目的替代方案。包括胆固醇和乳酸在内的生物标志物，存在于人体皮肤的最外层角质层中，这类生物标志物与心血管疾病和糖尿病等疾病有强相关性。然而，直接测量这类生物标志物一直很困难。例如，传统的固体电极缺乏进行固态表皮生物标志物的电化学反应所需的电荷传输途径。
新加坡国立大学和新加坡科技研究局研究团队通过基于水凝胶的新型可穿戴传感器设计克服了这一挑战。当这款传感器被贴附在人体皮肤上时，固态表皮生物标志物溶解到离子导电水凝胶（ICH）层中，继而通过水凝胶基质扩散，并在离子导电水凝胶和电子导电水凝胶（ECH）层之间的连接处由酶催化发生电化学反应。然后，相关的生理数据通过柔性印刷电路板无线传输到外部用户界面，实现连续监测功能。该传感器采用了一种被称为“丝网印刷”的可扩展且具有成本效益的制造工艺。
Liu Yuxin助理教授说：“这款基于水凝胶的可穿戴传感器是实现固态表皮生物标志物无创检测的关键。离子导电水凝胶层溶解生物标志物，电子导电水凝胶层促进电子传输。该双分子层使生物标志物的连续溶解、扩散和电化学反应成为可能。另一个亮点是灵敏度，即使在生物标志物含量极低的情况下，该传感器也能准确测量到生物标志物。”
Yang Le博士说：“该传感器是全球首款可以监测干燥或无汗皮肤上生物标志物的传感器。它的新型双层水凝胶电极与我们皮肤上所需监测的生物标志物相互作用，使这类生物标志物成为新的健康指标。该传感器可拉伸的设计能够适应人体皮肤的自然弹性，提高了人体佩戴舒适性和监测准确性。该创新将革新人们对监测自身健康和日常生活的认知，特别是对患有慢性疾病需要持续监测的人来说更加有意义。”
基于水凝胶的新型可穿戴传感器包括离子-电子双层水凝胶，可监测来自人体皮肤的固态表皮生物标志物。该传感器连接到柔性印刷电路板，将感测数据无线传输到用户终端。
可靠、灵敏、用户友好
与需要生物流体样本才能实现监测的传统传感器不同，基于水凝胶的新型可穿戴传感器可以直接在人体皮肤上连续、非侵入地监测固态表皮生物标志物，该方式使其在远程病患监测和全民健康筛查方面极具价值。
在临床研究中，该新型传感器证明了在人体皮肤上测量的生物标志物与血液样本中发现的生物标志物间有很强的相关性。这证实了该传感器的准确性和可靠性，表明它可以替代血液检测来监测慢性疾病，例如糖尿病、高脂蛋白血症和心血管疾病等。
该传感器的灵敏度是另一个优势，它可以监测极低水平的固态乳酸和胆固醇。该灵敏度水平接近质谱法的灵敏度，确保了对这些生物标志物的准确检测。
此外，与传统的同类产品相比，基于水凝胶的新型可穿戴传感器的设计减少了三分之二的运动伪影（用户由于运动导致传感器位置或与皮肤接触压力的变化引起的伪影）。该新发现已成功进行了数学建模验证。通过最大限度地减少运动造成的干扰，双层水凝胶确保了一致和可靠的读数，而该传感器的可拉伸性、皮肤般的特性提高了用户的舒适度。
Liu Yuxin助理教授解释道：“这项技术的一个可能应用是取代妊娠糖尿病测试（通常被称为葡萄糖耐量试验）。我们的传感器可以在患者家中更方便地跟踪实时血糖水平，而不是让孕妇进行多次抽血，其准确性可媲美传统的血糖测试。其也可取代常规的手指扎针采血测试，应用于普通的糖尿病监测。”
Yang Le博士说：“我们的传感器另一个潜在应用是心脏健康的日常监测，在新加坡，心血管疾病导致的死亡约占总体死亡人数的三分之一。我们团队已经开始了一项研究计划，即与心脏病专家密切合作，建立生物标志物（乳酸、胆固醇和葡萄糖）与心脏健康之间的临床相关性。”
新加坡国立大学和新加坡科技研究局的研究人员计划通过增加这款可穿戴传感器的工作时间和灵敏度来提高其性能。此外，他们计划整合更多的固态分析物，扩大该传感器对其它生物标志物的适用性。研究人员还与医院合作，增加临床验证，特别是用于患者的连续血糖监测以及动态弹性的定量评估。
论文链接：https://www.nature.com/articles/s41563-024-01918-9
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