各种新型材料推动可穿戴生物传感器迈向新高度
2024-12-14 22:32:13 来源：麦姆斯咨询 评论：0 点击：
可穿戴生物传感器具有收集大量实用信息的潜力，并且能够在日常环境中持续进行监测，相较于一次性的医生检测，这种方式能够更精准、全面地反映个人健康状况。
当研究人员Shuai Xu着手打造一款用于监测早产儿和新生儿生命体征的可穿戴生物传感器时，遭遇了一个严峻挑战：这些婴儿的皮肤极为娇嫩，用于固定可穿戴生物传感器的胶粘剂可能会对其皮肤造成损伤，进而引发感染。而且，婴儿活动时，坚硬的可穿戴生物传感器会拉扯皮肤，它上面的电线也可能会从不同方向产生牵拉，这将加剧问题的严重性。为解决这一难题，Shuai Xu等人研发出一款柔软、可拉伸的可穿戴生物传感器，配备柔性电路板和50毫米长的纤细电线，与以往长期占据此类工程主导地位的刚性器件相比，有了巨大的改变。该可穿戴生物传感器被包裹在可弯曲的硅胶中，通过蓝牙传输读数，并借助水凝胶粘贴在皮肤上。Shuai Xu是一名皮肤科医生，在美国伊利诺伊州埃文斯顿西北大学（Northwestern University）科学家John Rogers的实验室里，他以博士后研究员的身份参与了该可穿戴生物传感器的研发工作，而John Rogers堪称软材料领域的先驱。
一款专为新生儿娇嫩皮肤研发的柔软且可拉伸的可穿戴生物传感器
Shuai Xu后来成为伊利诺伊州芝加哥Sibel Health医疗器械公司的创始人兼首席执行官，该公司在2020年获得了Nature's Spinoff奖，专注于销售用于监测患者病情的可穿戴生物传感器。Shuai Xu所面临的挑战在试图研发可穿戴生物传感器及其制造材料的研究人员中很常见。该类可穿戴生物传感器必须小巧轻便，并且在粘贴于身体时能将刺激性降至最低。在某些应用场景中，它们还需要配备续航持久的电池以及能够处理日益复杂的人工智能（AI）算法的电路系统，以便对收集到的数据进行有效解读。
据估算，2023年全球健康传感器市场价值约为426亿美元，预计到2030年将增长到1422亿美元。曾经仅用于计步的腕戴式或指戴式设备，如今已具备监测心跳和血氧水平的功能，此外，还出现了能让糖尿病患者持续监测血糖水平的贴片。
Shuai Xu说：“这一市场规模不容小觑，但在生物化学和生物物理领域，还有很多指标，我们仍然无法以实用且持续的方式进行监测。”探索如何以低成本、非侵入的方法监测各种物理和化学信号，有望为医疗诊断提供关键信息，进而重塑整个医学领域。而且，这可能不仅限于进行物理信号监测（如心率）的可穿戴生物传感器。研究人员还在全力研发能够监测血液、汗液、泪液以及细胞周围液体中的生物标志物的化学传感器。
据麦姆斯咨询报道，宾夕法尼亚州立大学（Pennsylvania State University）的生物传感器工程师Aida Ebrahimi正在研究可以监测唾液或尿液中神经递质（例如多巴胺、血清素、肾上腺素和去甲肾上腺素）的材料，这些神经递质在患有帕金森病或阿尔茨海默病等疾病患者体内会发生变化。她将研究重点聚焦于仅有一个原子层厚度的二维材料上，例如二硫化钼。Aida Ebrahimi表示：“由于这种材料几乎是平面的，在监测极低浓度生物分子时，能够展现出极高的灵敏度。”这种原子级厚度薄膜的材料特性对表面修饰也很敏感。例如，通过附着锰分子，会使材料对多巴胺产生亲和性，从而构建超灵敏的生物传感器。
Aida Ebrahimi表示，附着不同分子的类似材料可以用作监测其它化学物质的可穿戴生物传感器，这些化学物质可以提供有关人体健康的信息。她的团队在2020年构建了该可穿戴生物传感器的原型，并且展示了其能够监测多巴胺的功能，不过要将其转化为可批量生产的成熟产品并完成有效验证，可能仍需数年时间。
在生物监测领域，一项关键挑战在于，许多信号（尤其在大脑中）传递是通过离子的运动来实现的，而大多数传感器主要是为监测由电子流动所产生的电流而设计的。沙特阿拉伯图瓦尔阿卜杜拉国王科技大学（King Abdullah University of Science & Technology，KAUST）的生物工程师Sahika Inal正在运用有机电化学晶体管（OECT）来应对这一挑战，这种器件能够监测来自生物分子、细胞以及脂质层的信号，并将其转化为可通过电子器件监测的读数。有机电化学晶体管可以使用有机混合离子电子导体（OMIEC）构建，这是过去几年备受关注的热点。有机混合离子电子导体是一种聚合物，离子和电子能够在其中轻松流动。当有机电化学晶体管的一部分所监测的属性发生微小变化时，OMIEC就会放大该信号。由于有机电化学晶体管是一种有机聚合物，相较于必须进行封装以防液体侵蚀的标准电子晶体管，它与人体的湿润环境的兼容性要好得多。因此，Sahika Inal表示，这使得研发“能够直接与生物系统集成的电子器件”成为可能。
例如，有机电化学晶体管可以直接打印在皮肤表面以监测生物信号，或者构建在织物纤维之上，制造能够经受洗涤的生物传感服装以及包裹物。它们还有可能取代脑部植入的刚性电极，用于控制假肢装置和监测癫痫发作患者脑电活动。有机电化学晶体管的柔韧性和生物相容性可能会减少对脑组织的刺激，从而避免因脑组织受刺激而导致电极灵敏度下降的问题。
在多伦多大学（University of Toronto），机械工程师Xinyu Liu和化学工程师Helen Tran研发了另一种具有柔软性和灵活性的材料，有望用作脑电极。这种被称为“瓶刷状”弹性体橡胶状的物质由一种分子制成，该分子有一条长而硬的主链来维持其结构，周围环绕着短而柔韧的“刷毛”，以此实现柔软特性。为了让这种材料具备导电性，Xinyu Liu和Helen Tran添加了一种填料——碳纳米管，或是银片和共晶镓铟（一种液态半导体）的混合物。不过，他们担心这种填料会渗出并产生毒性，所以他们希望能够去除填料。Helen Tran说：“最终，我们希望设计一种柔软且导电的聚合物，但这两项要求往往难以兼顾。”
“瓶刷状”弹性体与碳纳米管复合材料的示意图，研究人员认为该材料有作为脑电极的潜在用途。
Xinyu Liu的实验室也致力于可穿戴生物传感器的研究。其中一种基于水凝胶的可穿戴生物传感器，旨在紧密贴合皮肤并在身体部位（例如膝盖）弯曲时监测其应变情况。这样一种传感器在监测运动员的表现或者评估关节炎病情方面具有潜在应用价值。
他们正在研发的另一款可穿戴生物传感器是将氧化锌纳米线放在棉线上，以制造可以监测汗液中乳酸和钠等物质的电子纺织品。这种材料可以被织入衬衫或汗带中，用于监测运动员的健康状况。
Shuai Xu洞察到新型可穿戴生物传感器所蕴含的诸多机遇。他说：“人工智能正在不断催生新的算法，并有望扩展生物传感器的应用领域。”这些算法可被集成到可穿戴生物传感器中，使其能够依据所记录的监测数据进行学习并做出反应。这就需要研发出能够依靠可穿戴生物传感器有限电量运行的处理器。他表示，更好的电池可能会有所帮助，从运动或身体热量中获取能量等替代方案同样可行。他还提到，能够整合多项读数（例如将血糖水平与心率数据）的器件可能会带来变革性的影响。此外，他期望能够实现对应激激素的监测，以便用于人体疲劳监测，以及对药物代谢物的监测，从而确认患者是否遵医嘱服药物。
可穿戴生物传感器具有收集大量实用信息的潜力，并且能够在日常环境中持续进行监测，相较于一次性的医生检测，这种方式能够更精准、全面地反映个人健康状况。Shuai Xu表示：“无论人们是否生病，都不会把大量时间花费在诊所或医院。因此，我认为具备自主追踪健康状况并熟练运用相关技术的能力是极为关键的。”
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