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新型生物传感器可以刺激人体皮肤出汗,可穿戴

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新型生物传感器可以刺激人体皮肤出汗,可穿戴

必赢网手机版,尽管如此,目前还需要更多研究来验证汗液作为生物诊断液体的临床价值。原因在于汗液中的生物标志物是从周围的毛细血管输送到汗液中,也可以在汗液导管内产生,很难与同期血-药浓度进行可靠关联。

加州大学教授Jason Heikenfeld表示,人们长期以来都忽视了汗水,因为尽管它可以成为生物标志物的更高质量的液体,但你不可能依赖于获取这些汗液。他们的目标是,在需要的时候实现刺激出汗的方法。

汗液由外分泌汗腺发源,由真皮管通过表皮输送到皮肤表面,每一滴汗水之中都有0.2%-1%的溶质。这些溶质包含了各种离子、氨基酸、激素、蛋白质、多肽等分泌物,人们可以从中监测电解质失衡程度、乳酸指数、汗液葡萄糖水平、脱水状况以及卡路里燃烧值。令我们吃惊的是,汗液中竟然含有这么多重要的生物标志物。分析汗液,不仅可以帮助我们了解到身体的运动状况、水分状况和肌肉疲劳度,还可以辅助诊断一些疾病。例如,汗液中的盐浓度可能会与囊包性纤维症有关;汗液中的pH值可能会与皮肤病或糖尿病有关。

必赢亚州网址,生物传感器平台以无创的方式对包括汗水、眼泪、唾液或间质液在内的体液进行取样,并对其所含的生物标志物进行化学分析。无创的方式意味着取样过程可以随时方便地进行,且不用担心有创取样可能导致的伤害或感染。这种方式已经被广泛应用于各种应用场景。

汗液是由汗腺分泌的一种体液,其中中包含许多与身体相关的信息,通过分析汗液里面的生化指标,我们可以更好地了解身体健康状况,例如监测心率、运动状况、水分和肌肉疲劳度。另外,汗液还能反映出一些疾病,例如汗液中的盐浓度可能与囊包性纤维症相关;而汗液中的pH值水平则可能与皮肤病或者糖尿病相关。

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我们先来看看典型生物传感器的构成,它包含两个基本功能单元:负责选择性识别生物标志物的生物受体,以及负责将生物识别过程转换为有用信号的物理或化学传感器。

众所周知,体液中的钠离子可以检测身体的脱水情况,氯离子可以用来诊断囊肿型纤维化,葡萄糖可以来检测糖尿病。因此,越来越多的监测设备内嵌个性化定制的“生物传感器”,用于监测汗液中的各种化学物质。

血液,一直都被认为是诊断人体健康状况的首选。例如,我们可以通过检查血液中的血糖指标,判断一个人是否患上糖尿病。可是,抽血检查会不可避免地对人体造成创伤,往往还需要去医院实验室找专业技术人员才能开展。除血液之外,唾液、泪液、汗液中也含有生物标志物,可作为一种不会造成创伤的检查方式,用于检查人体健康状况、诊断疾病以及监测疗效。今天,我们要着重关注的是汗液。

基于人体运动获取汗液的表皮生物传感器

因此,汗液监测成为了近年来“个性化医疗”研究的潮流之一。根据市场研究公司IBISWorld的数据,基于体液检测的“生物传感器”市场仅在美国就高达880亿美元,而随着新技术的出现和竞争的加剧,这一行业在未来五年内将出现爆炸式增长。

日前,开发稳定性高的葡萄糖传感器对于糖尿病诊断和无创的健康监测来说是非常重要的。据麦姆斯咨询报道,加州大学Ali Javey教授团队和香港科技大学范志勇教授团队合作合成了一种可以固定酶的多孔膜,并将其牢牢固定在改性的纳米电极触点上,进而构建了具有良好的稳定性和机械鲁棒性的葡萄糖传感器。

基于糖尿病管理的巨大市场前景,微创血糖监测设备是可穿戴生物传感器中最受人关注的方向之一,也是最接近商业化的方向之一。

汗水监测型可穿戴设备,非常依赖穿戴者身体出汗。

汗液,不仅像血液一样富有大量的有用信息,而且与唾液和泪液相比,其中的化学指标更适合健康监测。相对于血液检查来说,汗液检测不仅无创,还可以随着时间推移持续获取生物标志物的数据。

利用智能手机识别色差的可穿戴生物传感设备

1汗液监测成为“体液诊断”研究热点

文章来源:麦姆斯咨询

汗腺在人体皮肤表面广泛存在——每平方厘米的皮肤表面平均有超过100个汗腺。因此,汗液是最容易获得用于化学传感应用的体液。当然,汗液必须在皮肤表面才能被取样分析。我们可以通过运动、加热、压力或离子刺激等方式来产生汗液。

据科学家称,相对于唾液和泪液,汗液中的化学指标更加适用于健康监测。汗液像血液一样具有患者的有用信息。相对于血液来说,测试汗液还有其他的优点,例如抽一次血,你只能得到一个时间点的数据;而通过汗液,你可以检测到随着时间变化的生物标志物浓度数据,从出汗的时机、汗量以及原因,都可以看出些端倪。

这也是首次有研究开发出基于纳米多孔膜的电化学传感器,它可以解决酶的逃逸并为分子/离子的扩散和交互提供了一个充足的表面,从而确保其可以进行持续的催化活动进而实现非侵入式的健康监测传感。研究结果表明,该葡萄糖传感器可以进行长期的稳定监测,响应漂移也非常小。此外,它还可以被集成到微流控传感贴片中用于进行无创的汗液葡萄糖监测。因此其在并临床诊断、个性化医疗监控和慢性病管理等领域具有广阔的应用前景。

通过将柔性可拼接传感器与共形电路板相结合,这一系统可对人体长时间运动的生理状态进行准确评估。这一开创性工作在信号传导、调节、数据处理、无线传输、系统集成、现场数据处理和通信等方面实现了重大进步,使得可穿戴生物传感器向实用化迈出了一大步。

亚州必赢,最后,该团队采用了一种称为离子电渗疗法的方法,其使用微小、不可察觉的电流将少量的卡巴胆碱引入皮肤的上层。完整的过程被证明可以成功地产生基于汗液的传感器结果。

表皮可穿戴生物传感器

用体液来检测身体情况很司空见惯,医院的化验大多依靠各类体液。其中,血液分析被认为是生物计量分析领域的黄金标准。但是,血液分析对人体具有创伤性,而且常常需要在实验室才能进行。如果要医生在几小时或者几天内持续监测血样,难度相当大。

目前,大部分可穿戴生物传感器主要基于电化学或光学原理。压电生物传感技术也被引入,作为监测汗液代谢物的电子皮肤平台。压电信号由身体运动驱动,是一种无需外界供电的自供电生物传感器。

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可靠的多标志物传感技术还可以提供出汗率的测量,用于校准标志物信号从而提高生理相关性,对于提高可穿戴设备的个性化诊断和生理监测能力至关重要。不过,由于这一系统依赖身体运动产生汗液,在连续监测应用中效用有限。

每个人都有流汗的体验,这是正常的生理现象。但你可知道,就是这常见的汗液,却可以检测出人的身体状况。

2013年,加州大学圣地亚哥分校纳米工程系的团队通过表皮传感器对人体运动过程中汗液乳酸水平进行了实时动态的监测。这是据我们所知第一次利用表皮传感器进行此类研究。

汗水监测型的可穿戴设备非常依赖穿戴者身体出汗,这意味着用法仅限于运动员或需要体力消耗。最近,美国辛辛那提大学的一个研究团队,通过开发一种可以刺激一小块皮肤上的汗腺的创可贴大小的装置,解决了这一问题。

可穿戴式生物传感器前途无量

这种新创新的最终结果可能是发展如果各种基于汗液的可穿戴生物传感器。最激动人心的是能够在某些时间段内测试某些化学物质或激素水平的微小变化。该研究小组指出,美国空军已经对这项技术感兴趣,因为它可能测量飞行员的皮质醇水平。

一般来说,汗液中含有代谢物、电解质、微量元素以及少量大分子成分。这些生物标记物可以用于现场无创检测生理健康状态及疾病诊断和治疗。

研究人员开发了一种刺激一小块皮肤上的汗腺的方法。初步研究显示,含有卡巴胆碱化学品的凝胶成功地刺激了汗液产生。然后他们开发记忆泡沫填充物以允许生物传感器和皮肤之间的更好接触。

加州大学圣地亚哥分校纳米工程系的研究团队发现了一种将电生理测量与生化标记物分析相结合的多路复用可穿戴传感新方法。这种方法不再需要单独的物理传感器和化学传感器,而是通过丝网打印的化学物理混合贴片传感器同时测量乳酸和心率,且不会彼此干扰。这代表着多模可穿戴传感器迈出了重要的第一步。

UC研发团队开发的新型生物传感器

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然而,汗液却提供了一种无创的替代方案。

表皮可穿戴生物传感器的早期进展集中在对单一标志物进行分析。临时纹身生物传感器装备了丝网打印的柔性电路,可与皮肤进行长时间的直接接触,是一种很有吸引力的生物传感平台。

现在可以通过排汗监测各种各样的关键化学物质,例如监测糖尿病患者的葡萄糖水平等。UC这一团队开发的设备的不同之处在于,允许生物传感器测量许多激素和化学物质,而不需要一个人通过跑步出汗。

目前,可穿戴生物传感器主要分为三类,分别是表皮可穿戴生物传感器、眼部可穿戴生物传感器和口腔可穿戴生物传感器。

2汗液监测的痛点:“没汗”时咋测?

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除了汗液,表皮生物传感器也可对间质液中标志物的浓度进行针对性的检测。人体皮肤细胞被间质液包围,并直接从毛细血管内皮获取营养。这使得间质液中标志物浓度与血液标志物浓度之间有可靠的关联,比如电解质、代谢产物和蛋白质。

表皮可穿戴生物传感器可以在皮肤表面对汗液或间质液采样,并对其中的生物标志物进行实时分析或连续监控。这类传感器通常依赖于生物受体以生物催化和离子识别标志物,并以光学、电化学或机械等不同的传导模式相结合。目前,电化学和色差是两种主要的传导模式。

表皮体液的分泌和组成

包括与激素和免疫反应有关的标记物也显示出了穿戴式免疫传感器的诊断潜力。德克萨斯大学达拉斯分校开发的平台使用室温离子液体来补偿汗液酸碱度的变化,并在长达96小时的时间内提高抗体生物受体的稳定性。作为替代方案,该校的研究团队还开发了一个皮质醇传感系统,基于可与皮质醇抗体作用的二硫化钼纳米薄片。

汗液葡萄糖生物传感器非常适合与糖尿病管理应用相结合。德克萨斯大学奥斯汀分校戴尔医学院的研究团队便展示了这样的系统,将葡萄糖监测设备与酸碱度、湿度和温度传感器结合,并将整合后的系统集成到经皮给药系统中,从而将多标志物可穿戴设备的优势淋漓尽致地发挥出来。

可穿戴生物传感器依赖于高度特异的生物受体。这些生物受体能够在生理条件下识别复杂样品中的目标生物标记物及相关浓度。这一技术的推广也要求对体液的生化组成有深入的了解,如汗液或眼泪的生化组成及其与血液化学的关系。另外,为了实现在不会造成佩戴者不适的前提下无创采样,生物传感器还需要使用先进的材料和设计,从而提供必要的灵活性和延展性。

研究人员投入了大量努力来开发可穿戴生物传感器。通过将生物识别元件集成到传感器上,可穿戴生物传感器迅速从报告中的概念验证转换为实物,体现了该领域巨大的发展潜力。

人类身体的绝大部分都为皮肤所覆盖。因此,在各种穿戴式生物传感器中,通过皮肤接触的表皮可穿戴生物传感器最受人关注。

我国在这一领域也有所建树。复旦大学高分子科学系暨聚合物分子工程国家重点实验室和先进材料实验室联合展示了多标志物电化学传感技术。通过将生物识别材料涂覆在碳纳米管纤维上形成同轴结构,团队制成了对葡萄糖、钠离子、钾离子、钙离子和液体酸碱度敏感的纤维,在重复形变的前提下保持了良好的实时检测性能。

加州大学伯克利分校的研究团队则在开发完全集成的无创贴片可穿戴传感器阵列上取得了进展。这种多路复用生物传感器集成了多传感器阵列,可同时对汗液代谢物、汗液电解质及皮肤温度进行多路检测。

目前,可穿戴设备主要采用物理传感器,用于监测行动能力和生命体征,如步数、热量消耗或心率。随着研究人员从跟踪体育锻炼活动扩展到关注解决医疗保健应用,比如糖尿病管理或者老年人的远程监控,可穿戴设备需要进行自我革新。

除了这两类传感器,可穿戴设备其实还有一类更具价值的生物传感器。生物传感器通过无创测量体液中的生化标志物来反映生理状态。这些生物标志物主要包括汗液、泪液、唾液和间质液,以及体液中的代谢物、细菌及激素等。

这种基于抗体的生物检测方法一旦成功,将可扩大表皮可穿戴式生物传感器的应用范围。不过,它还有很长的路要走。最大问题在于,这种免疫传感器会在反应中耗尽,无法轻易再生,使其无法用于连续监测应用。

通过将传感器直接与皮肤贴合,表皮可穿戴设备已经成为现实。目前,常见的传感器集成方式包括电子皮肤、临时打印的纹身、腕带、贴片或者直接嵌入纺织品等几种方式。这些集成方式可以确保传感器与皮肤紧密接触,并能在身体运动时承受机械压力。

在实验过程中,受试者被要求佩戴打印出来的临时纹身生物传感器进行运动。通过乳酸氧化酶测算运动时汗液中的乳酸水平。研究表明,运动强度越大,汗液乳酸确实越高。

除了电化学检测技术外,通过监测汗液生化标志物与不同染料指示剂反应的色差分析技术也得到了广泛应用。色差分析技术因其无需供电的特性尤其适合可穿戴设备,但它需要额外的读取设备对测量数据进行分析,比如,带有色彩分析功能的摄像头。

同时,尽管有研究表明汗液葡萄糖浓度与同期血压有关联,但用表皮生物传感器精确测量生理相关的汗液葡萄糖浓度面临着来自不受控制的操作条件的主要挑战,比如,温度和酸碱度变化、复杂多样的葡萄糖污染源,较低的采样率及采样量。这都会损害收集数据的准确性。

可穿戴设备以其对人体生理信息动态、连续及实时的监控对我们的日常生活产生了广泛影响,在大健康行业得到了广泛的关注。不过,目前已经商业化的可穿戴设备主要实现心电图和光电容积图测量心率,分别属于电化学和光学生物传感器类型。

这一系统成功地将经皮葡萄糖检测与药物输送平台相结合,标志着在可靠的“传感-行为”路上取得了重大进展。

虽然可穿戴无创生物传感平台的商业化速度慢于预期一定程度上降低了市场预期。但随着该领域在技术上的突破,很多人仍然看好可穿戴生物传感器的市场前景。

封闭式微流控系统能对汗液进行直接快速的收集,并能防止了汗液蒸发和污染。因此,这样的设备允许复杂的汗水采样和测量,解决了汗液领域的常见问题。将用于实时汗液采样的微流控系统与色差生物传感系统结合,可以实现对多个汗液生物标志物的实时监测。

可穿戴生物传感器在医疗应用上前途无量,但在大规模商业化之前,还有很多问题需要解决。美国Nature杂志对该行业的最新进展进行了详细的介绍,动脉网对报告进行了编译,借此让大家对可穿戴生物传感器的现状及发展有所了解。

加州大学圣地亚哥分校纳米工程系的研究团队最近也开发了一种类似的皮肤穿戴式柔性汗水采样微流控系统,并集成了对乳酸和葡萄糖的电化学生物传感功能。

一个国际合作团队已经设计出一个黏合在皮肤上的微流控系统,通过多个采样通道和对应的储液仓,配合汗液流失的定量分析,它可以监测多个汗液生物标记物。

最早的生物传感器可以追溯到上世纪五六十年代。随着近年来无创取样及监测技术逐渐成熟,利用无创可穿戴生物传感设备替代常规的血液检测越来越接近现实。这种设备具有高度特异性、快速便携以及低成本低功耗等优点。

根据来自Grand View Research的市场报告,2016年,全球可穿戴设备市场规模约为1.5亿美元;预计其将在2025年达到28.6亿美元。新增市场规模中的很大一部分预计将由可穿戴生物传感器构成。

不过,这些设备的运作依赖于目标用户进行运动产生汗液。因此,与日常生活所需要的不依赖运动的连续血糖监测不兼容。这种用于管理糖尿病的汗液监测设备仍然需要更大规模人群的临床验证。

为了实现对间质液的无创取样,需要引入反相离子电渗或超声导入技术。不过,与汗液的情况类似,取样效率和皮肤表面的污染会影响其准确性。为了解决这些问题,先进的取样方法和对监测标志物的提纯必不可少。

这种微流控汗液监测技术通过将荧光探针结合到皮肤接触系统上,并通过基于智能手机的成像模块对反应荧光进行评估,从而实现对氯化物、钠和锌的精确现场测量。这种光学传感体液的方法提供了与传统实验室条件下对微升级别容积测量相当的灵敏度。由于这种方式结合了不依赖运动来产生汗液的取样方法,对于扩大目标生物标志物的范围至关重要。

尽管乳酸水平与同期的血压并没有直接联系,它的确可以反映长时间的身体运动强度。因此,这种方式可以被用于监测运动效率,而不用再进行血液取样。

汗液中标志物浓度的变化可以通过多种方式测量,尽管如此,标志物的浓度还是会受到出汗率和标志物分配率之间关系的影响。因此,对汗液化学及传输机制的深入理解,以及汗液取样及检测技术的进步能够加快基于汗液的监测技术发展。

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