物理与化学的结合,成就一篇Nature Biomedical Engineering
小奇 2021-03-04
可穿戴式传感器可以与人类皮肤连接,以远程监测生理参数,例如心率或血液中的葡萄糖浓度。但是,在一台设备中集成不同传感器模式(即物理传感器和化学传感器)仍然具有挑战性。


成果简介
近日,美国加州大学圣地亚哥分校Joseph Wang和徐升教授等人Nature Biomedical Engineering上发表了一篇研究论文称,开发了一种非侵入式可穿戴传感器,用于连续、同时监测人体的血流动力学和化学信号,包括血压、心率和多种生化标记物。而且,Nature Reviews Materials杂志对其进行重点报道。

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整体思路
研究人员通过集成不同的刚性和软传感器组件来设计可穿戴贴片,这些组件包括压电锆钛酸铅超声换能器、离子电渗透和碳复合电化学换能器。
1)超声波换能器发射超声波脉冲并感知动脉的回声,从而能够测量心率和血压。
2)同时,毛果芸香碱经皮给药刺激汗液的产生,并通过离子电渗透提取间质液。
3)然后分别用计时电流法和微分脉冲伏安法测定汗液中的乳酸、酒精和咖啡因,并分析间质液中的葡萄糖浓度。
这在以前从未实现过在单个保形设备上同时对生物标志物和血压进行非侵入式监测的情况。

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图|可拉伸集成式BP化学感应贴片的设计和机理

可防止信号串扰
重要的是,通过应用溶剂焊接工艺,可以将声换能器和电化学换能器在空间上分开,以防止信号串扰。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,经过改进的传感器组装过程,可以快速,可靠地制造可拉伸和共形的表皮传感器,以进行声学和电化学传感。

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图|多模态可穿戴传感器的表征

日常活动与生化指标相关联
反复的机械变形测试表明,电化学传感器和声学传感器具有出色的耐久性和可靠性。另外,研究人员在健康志愿者身上测试了可穿戴式传感器,证明该传感器可以使日常活动(例如运动,饮酒和饮食)与血压、心率和生物标志物水平的变化相关联。

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图|持续的身体评估

总结与展望
这种声学和电化学传感提供了用户生理状态的连续监测及其对多种日常活动和刺激的反应。因此,这种多模态可穿戴技术已被证明有助于将日常活动(如运动、饮酒和进食)与血压、心率和生物标记物水平的变化相关联。这些令人鼓舞的结果支持了在单一适形可穿戴贴片上开发化学和物理传感器复杂集成的混合可穿戴传感器的可能性,用于同时监测多个相关参数。只有明智地选择材料、优化结构工程和考虑高通量制造工艺,才能实现可靠和全面的表皮传感器集成。

仍需改进之处
虽然集成设备显示出吸引人的特点,但仍需要对血压、心率和代谢物的测量进行以下改进。
(i) 集成贴片依赖于IP毛果芸香碱对汗液的刺激,由于毛果芸香碱的消耗,限制了其使用。换成长期的刺激汗液的药物(例如卡巴胆碱)可以用来延长手术时间,并使用单个刺激汗液的步骤进行多次测量。
(ii)测试多重贴片设计,以便进行全面的多分析物监测。
(iii)结合一个出汗率传感接口,以使ISF标记读数正常化,或使用抑汗药物以及一个内标物(钠),以解决被动出汗对ISF的潜在稀释。
(iv)对包括糖尿病和心血管疾病患者在内的众多健康状况不同的个体进行广泛验证。
(v) 通过开发具有集成超声波和多恒电位功能的电子设备,以及信号处理和无线传输功能,使设备完全小型化。

未来可以开发一个独立的声学传感接口电路,再加上人工智能辅助信号处理,将把现有设备完全转变为一个全面的皮肤传感系统。

该设备代表着朝着多模态可穿戴传感器迈出的第一步,并朝着远程健康转型迈出了第一步。因此,它为一系列皮肤保形工具铺平了道路,这些工具可以提供有关人类健康状况的高质量和高密度信息,并为能够进行化学-电生理-物理混合监测的下一代可穿戴贴片奠定了基础。

参考文献:
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/s41551-021-00685-1
2. Horejs, C. All in one patch. Nat Rev Mater (2021). https://doi.org/10.1038/s41578-021-00297-w



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