可拆卸的汗液贴片——无创生物化学和生物物理传感

研究背景

如今，快节奏的现代生活方式给人们带来了巨大的精神和身体压力，可能会削弱人体的免疫系统，导致抑郁症、心血管疾病等健康问题。由于患者对症状的自我报告具有很强的主观性，因此制定能够定量、连续地跟踪人体压力水平的策略对于早期诊断和及时干预压力相关疾病至关重要。一个典型的例子是，下丘脑-垂体-肾上腺(HPA)轴的最终产物——皮质醇——"压力激素”，通常可作为人体压力水平的定量测量指标，因为作为维持体内平衡的一种自然反应，皮质醇的浓度往往会随着压力的增加而增加。因此，实时连续监测人体生物液体中的皮质醇以及其他相关化学和生物标记物，对于跟踪人体的健康情绪状态、新陈代谢和免疫反应至关重要。在所有人体生物流体中，汗液因其非侵入性和易于获取样本而成为皮质醇分析的极具吸引力的目标。因此，实时捕获和分析新鲜排出汗液中的皮质醇水平的需求促使人们不断努力开发生物集成分析工具，最好是具有无线传感功能的工具。最近的研究报告展示了各种形式的皮质醇传感器，包括基于电化学阻抗谱(EIS)、差分脉冲伏安法 (DPV)、循环伏安法 (CV)、时变测量法 (CA)的场效应/电化学晶体管和比色法的传感器。开创性研究的显著成功为在生物医学研究和转化工程中利用这一概念进行压力监测和管理铺平了道路。然而，在建立即用型生化传感平台的过程中还需要注意以下问题：1）皮质醇识别界面的设计值得进一步研究，以确保传感器的动态范围能完全涵盖生理相关浓度，因为皮质醇等激素的水平自然很低(汗液中为 0.4-142 ng ml-1)。2) 传统的皮质醇传感策略，如 CV、DPV 和 EIS，需要安装在印刷电路板上的复杂的硬件集合：现有的大多数可穿戴传感技术利用数字无线方案(如蓝牙、近场通信)和额外的子系统来进行信号生成/处理和电源管理/供应。要实现这些系统在日常活动中应用于以人为本的健康监测，在最大限度地减小系统的整体尺寸、厚度重量、灵活性和与皮肤的贴合度方面存在困难，这也是实际挑战。

研究成果

可穿戴电子设备在对人体产生的多种生物信号进行无创、连续和个性化监测方面发挥着重要作用。为了充分发挥下一代以人为本的生物集成电子设备的潜力，无线传感功能是一项理想功能。然而，最先进的无线传感技术在供电、信号生成和数据传输方面都使用了坚固而笨重的电子模块。俄亥俄州立大学Jinghua Li教授团队报告介绍了一种基于“两部分“共振电路模型的无电池设备技术，该模型具有模块化、物理分离和可拆卸的功能单元，用于磁耦合和生物传感。该平台结合了电子学和微流控技术的优势，具有成本低、外形尺寸小和性能稳定等特点。能够同时记录皮质醇浓度、pH 值和温度的可拆卸汗液贴片的演示，凸显了“两部分“电路在先进、变革性生物传感方面的潜力。由此产生的无线传感器通过与皮肤表面的紧密无缝集成，为监测生物信号提供了一种新的工程解决方案。相关研究以“A “Two-Part” Resonance Circuit based Detachable Sweat Patch for Noninvasive Biochemical and Biophysical Sensing”为题发表在Advanced Functional Materials期刊上。

图文导读

Figure 1. Device concept of the multifunctional epidermal sensing system and envisioned applications in advanced healthcare.

Figure 2. General design and sensing mechanism of the “two-part” resonance circuit-based epidermal sensing system.

Figure 3. Characterizations of mechanical robustness and an operational range of the sensing platform.

Figure 4. Performance characterization of devices with aptamer-functionalized working electrodes for cortisol sensing.

Figure 5. Design and characterization of the pH and temperature sensors in the “two-part” sweat patch based on LC resonance.

Figure 6. Integrated wireless sweat patch for on-body analysis of biochemical and biophysical signals.

总结与展望

总之，这项工作介绍了构建基于共振电路的可穿戴传感器的材料选择、设计原理和集成方案这种传感器可以同时记录对健康监测至关重要的多种生化和生物物理信号。该传感器采用两部分共振电路模块化设计，配有一对变容二极管，将传感接口和磁耦合单元物理分隔开来。该系统通过变容二极管将电压信号转换为谐振槽电容的调制信号，从而在交流电源供电时通过电感耦合实现无线数据传输。利用适配体和 PANI 对传感接口进行功能化处理，可以捕获皮质醇和 H+，原则上，利用其他生物识别元件作为接口扩展这一概念，可以通过电位计传感策略满足检测其他生物标志物的需要。直流部分和交流部分之间采用可拆卸设计，并配有导电磁铁，便于重复使用电子模块，而不会降低无线信号传输的性能。同时记录皮质醇浓度、pH 值和皮肤温度的多模式操作满足了获取生物特征轮廓的需要。对健康人体进行的现场测试验证了传感器系统在柔软、弯曲的皮肤表面上的机械坚固性和传感能力。本文报告的传感器贴片为监测皮质醇水平和其他生化/生物物理信号以评估生理健康状况提供了一种前景广阔、成本低廉且方便的策略。未来的工作将包括开发轻量级、小型化和人性化的读出系统以及相关的用户界面，以便直接可视化传感器数据，这些系统可与智能手机和智能手表等个人物品集成。将本文介绍的设计应用于追踪与压力相关的疾病患者，将为未来的研究开辟有前景的方向和肥沃的领域。

文献链接

A “Two-Part” Resonance Circuit based Detachable Sweat Patch for Noninvasive Biochemical and Biophysical Sensing

https://doi.org/10.1002/adfm.202210136.

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