可穿戴可拉伸傳感器能夠快速連續(xù)無創(chuàng)地檢測固態(tài)皮膚生物標志物

早期發(fā)現(xiàn)疾病需要快速、持續(xù)和方便地監(jiān)測重要的生物標志物。新加坡國立大學 (NUS) 和新加坡科技研究局 (A*STAR) 的研究人員開發(fā)了一種新型傳感器，可以持續(xù)實時地檢測固態(tài)表皮生物標志物 (SEB)，這是一種新的健康指標。

該研究團隊由新加坡國立大學健康創(chuàng)新與技術研究院、設計與工程學院 N.1 健康研究院和生物醫(yī)學工程系的助理教授劉宇欣，以及新加坡科技研究局材料研究與工程研究院(A*STAR 的 IMRE)傳感器與柔性電子系首席科學家兼負責人楊樂博士共同領導，他們的創(chuàng)新技術提供了一種非侵入性健康狀況監(jiān)測方法，即直接在皮膚上檢測膽固醇和乳酸等生物標志物。

該團隊的可穿戴、可拉伸、基于水凝膠的傳感器克服了當前依賴血液、尿液和汗液等生物流體樣本的方法的局限性。這使其成為可穿戴、連續(xù)和實時健康監(jiān)測的有前途的替代方案，有助于早期發(fā)現(xiàn)心血管疾病和中風等疾病。

它還可以有效監(jiān)測運動員的乳酸水平，這是疲勞和組織缺氧的指標，會影響運動員的表現(xiàn)。這一發(fā)展尤其適用于慢性病管理、全民篩查、遠程患者監(jiān)測和運動生理學等領域。

該團隊的研究成果于 2024 年 6 月 12 日發(fā)表在《自然材料》雜志上。A*STAR 的高性能計算研究所和分子與細胞生物學研究所以及新加坡南洋理工大學也參與了這項研究。

圖片來源：新加坡國立大學

通過創(chuàng)新克服現(xiàn)有挑戰(zhàn)

監(jiān)測生物標志物(存在于血液或其他體液中的化學物質(zhì)，可以捕捉細胞或生物體在特定時刻發(fā)生的情況)傳統(tǒng)上涉及分析血液、尿液和汗液等生物流體。雖然這些方法有效，但也面臨挑戰(zhàn)。

血液檢測具有侵入性且不方便，尿液分析繁瑣且缺乏實時性。雖然從汗液中檢測生物標志物是非侵入性的，但受限于不活躍人群難以誘導出汗，以及使用誘導出汗藥物會造成不適。所有這些都對疾病的早期診斷和治療構成障礙。

SEB 提供了一種引人注目的替代方案。這些生物標記物包括膽固醇和乳酸，存在于皮膚最外層的角質(zhì)層中，并且與心血管疾病和糖尿病等疾病有很強的相關性。然而，直接檢測這些生物標記物一直很困難。例如，傳統(tǒng)的固體電極缺乏必要的電荷傳輸途徑，無法實現(xiàn)對 SEB 的電化學傳感。

新加坡國立大學和新加坡科技研究局的研究團隊通過其新穎的傳感器設計克服了這一挑戰(zhàn)。當該設備佩戴在皮膚上時，SEB 會溶解到離子導電水凝膠 (ICH) 層中，擴散通過水凝膠基質(zhì)，并在 ICH 和電子導電水凝膠 (ECH) 層之間的連接處發(fā)生由酶催化的電化學反應。

然后，相關生理數(shù)據(jù)通過柔性印刷電路板無線傳輸?shù)酵獠坑脩艚缑?，提供持續(xù)監(jiān)測功能。該傳感器采用可擴展且經(jīng)濟高效的制造工藝(稱為絲網(wǎng)印刷)生產(chǎn)。

“我們新穎的水凝膠傳感器技術是實現(xiàn)皮膚上固態(tài)生物標志物無創(chuàng)檢測的關鍵。溶解生物標志物的離子導電水凝膠層和電子導電水凝膠層促進電子傳輸。

“這種雙層膜能夠使生物標志物依次溶解、擴散和電化學反應。該傳感器的另一個亮點是靈敏度高，即使生物標志物含量很低也能準確檢測，”劉助理教授說道。

“這款可穿戴傳感器是世界上第一個可以監(jiān)測干燥或不出汗皮膚上的生物標志物的傳感器。該傳感器的新型雙層水凝膠電極可以與我們皮膚上的生物標志物相互作用并對其進行檢測，從而使它們成為一類新的健康指標。可拉伸的設計也通過適應我們皮膚的自然彈性來提高舒適度和準確性。

楊博士說：“這項創(chuàng)新可以改變我們監(jiān)測健康和生活方式的方式，特別是對于那些需要持續(xù)監(jiān)測健康的慢性病患者。”

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