一項(xiàng)發(fā)表在《科學(xué)進(jìn)展》雜志上的新研究表示，趙一超和美國(guó)生物電子學(xué)、材料與工程綜合研究團(tuán)隊(duì)設(shè)計(jì)了一種一次性的、獨(dú)立的電化學(xué)傳感系統(tǒng)（FESS）。FESS使他們能夠?qū)崿F(xiàn)系統(tǒng)級(jí)設(shè)計(jì)策略，以解決運(yùn)動(dòng)中可穿戴生物傳感器的挑戰(zhàn)，并實(shí)現(xiàn)與消費(fèi)電子產(chǎn)品的無(wú)縫集成。該團(tuán)隊(duì)還開發(fā)了一款具有FESS功能的智能手表，該手表在獨(dú)立的可穿戴平臺(tái)內(nèi)具有汗液采樣、電化學(xué)感應(yīng)以及數(shù)據(jù)顯示或傳輸功能，該團(tuán)隊(duì)使用FESS智能手表來(lái)監(jiān)測(cè)久坐和高強(qiáng)度運(yùn)動(dòng)環(huán)境中個(gè)體汗液代謝產(chǎn)物的分布。

FESS設(shè)計(jì)原理、實(shí)施和應(yīng)用。

一、FESS可在運(yùn)動(dòng)狀態(tài)下精準(zhǔn)監(jiān)測(cè)人體生理數(shù)據(jù)

物聯(lián)網(wǎng)（IOT）基礎(chǔ)設(shè)施可用于可穿戴消費(fèi)電子產(chǎn)品，通過(guò)在用戶干預(yù)最小的情況下獲取生理相關(guān)數(shù)據(jù)，從而轉(zhuǎn)變個(gè)性化和精密醫(yī)學(xué)?？茖W(xué)家通常在商用可穿戴平臺(tái)上使用物理傳感器來(lái)跟蹤用戶的身體活動(dòng)和生命體征。然而，為了深入了解人體的動(dòng)態(tài)化學(xué)，研究人員需要電化學(xué)傳感表面，將生物標(biāo)記分子定位在非侵入性回收體液（如汗液）中。為了實(shí)現(xiàn)這一點(diǎn)，精確設(shè)計(jì)從皮膚到讀出單元的信息傳遞路徑至關(guān)重要。對(duì)于電化學(xué)傳感，信息傳遞途徑必須以微流控結(jié)構(gòu)將富含生物標(biāo)志物的生物流體采樣并傳遞到傳感器表面，然后通過(guò)相互連接的元件將信號(hào)傳遞到讀出電子設(shè)備。在存在運(yùn)動(dòng)引起的應(yīng)變情況下，必須沿該路徑并保持信號(hào)。

生物激勵(lì)的原位傳感和信號(hào)互連。

在這項(xiàng)工作中，研究人員開發(fā)了獨(dú)立式電化學(xué)傳感系統(tǒng)（FESS），并在不使用剛性連接器的情況下，利用雙面粘附力將其同時(shí)粘附到皮膚和電子設(shè)備上。FESS進(jìn)行表皮采樣和定向回收用于電化學(xué)傳感的生物流體，然后通過(guò)應(yīng)變隔離途徑路由至讀出電子設(shè)備。他們將FESS集成到定制的智能手表中，以進(jìn)行汗水感應(yīng)、采樣、電化學(xué)感應(yīng)、信號(hào)處理以及數(shù)據(jù)顯示或傳輸。結(jié)果表明，在不限制用戶運(yùn)動(dòng)的情況下，具有高保真的信號(hào)傳導(dǎo)和與人體皮膚的牢固機(jī)械接觸。獨(dú)立式傳感系統(tǒng)可以與未來(lái)的可穿戴電子設(shè)備鏈接，以根據(jù)用戶的日常活動(dòng)生成與高保真度有關(guān)的健康數(shù)據(jù)。

二、FESS利用整合素創(chuàng)建有效的生物信息交換

為了創(chuàng)建有效的生物途徑，研究人員選擇一種細(xì)胞粘附分子——整合素，可有效地在細(xì)胞內(nèi)和細(xì)胞外基質(zhì)之間進(jìn)行生理信息交換。FESS裝置通過(guò)微流體結(jié)構(gòu)中的應(yīng)變隔離區(qū)域?qū)崿F(xiàn)了整合素樣功能。他們將FESS設(shè)計(jì)為垂直導(dǎo)電的雙面膠和由多個(gè)垂直堆疊的薄膜組成的柔性微流體生物分析薄膜系統(tǒng)。這些膜包括粘合各向異性導(dǎo)電膜（ACF）、貴金屬電極陣列膜、生化膜、微流體膜和皮膚粘合膜。他們將完整的薄膜系統(tǒng)用膠帶粘貼到讀出電子設(shè)備上，而無(wú)需連接器，并且接觸電阻最小，可以將任何電接觸轉(zhuǎn)換為化學(xué)或生物傳感器。該團(tuán)隊(duì)使用FESS開發(fā)了原理證明、自成一體的生物標(biāo)記物感應(yīng)智能手表，以用于監(jiān)測(cè)久坐和高運(yùn)動(dòng)環(huán)境下個(gè)人的汗液代謝物分布。

應(yīng)變隔離信號(hào)互連的FESS應(yīng)變模擬與表征。

在該裝置中，ACF的垂直電導(dǎo)率促進(jìn)了平面外信號(hào)互連，從而避免了人體運(yùn)動(dòng)引起的不希望的信號(hào)路徑應(yīng)變效應(yīng)。該團(tuán)隊(duì)對(duì)FESS的機(jī)械粘合特性進(jìn)行了表征，以確保FESS與電子產(chǎn)品之間的粘合力高于FESS與干性或活躍出汗的皮膚之間的粘合力。該團(tuán)隊(duì)測(cè)試了將ACF層從印刷電路板上的FESS剝離所需的力，結(jié)果顯示了基于FESS的牢固的電子互連，非常適合在人體上應(yīng)用。

三、實(shí)驗(yàn)檢測(cè)FESS信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)與生物標(biāo)記能力

研究人員然后測(cè)試了FESS的信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)能力。他們將貴金屬電極圖案化到ACF上，以實(shí)現(xiàn)生物化學(xué)到電信號(hào)的傳遞，然后沉積生物化學(xué)薄膜來(lái)分析感興趣的生物分子目標(biāo)。他們測(cè)試了金屬圖案化ACF在未修飾金（Au）和鉑（Pt）納米粒子修飾金（Au）上兩種常用電極表面的電化學(xué)活性。本研究中所研究的電分析方法提供了回答生物標(biāo)記物讀數(shù)的樣本，以實(shí)時(shí)了解汗液生物復(fù)合物的變化。

機(jī)械變形后ACF基互連電阻測(cè)試。

在接下來(lái)的幾個(gè)實(shí)驗(yàn)中，研究小組展示了FESS在用戶日常活動(dòng)中監(jiān)測(cè)生物標(biāo)記物的能力。為了實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)，他們將FESS集成到一個(gè)定制開發(fā)的智能手表中，作為包含模擬/數(shù)字電路的物聯(lián)網(wǎng)模型設(shè)備、藍(lán)牙收發(fā)器和用于系統(tǒng)級(jí)功能（包括信號(hào)和用戶命令處理、顯示和無(wú)線數(shù)據(jù)通信）的液晶顯示屏?；贔ESS的智能手表的性能與恒電位儀類似?？茖W(xué)家們將完整的智能手表貼在皮膚上，沒有外部包裝或固定裝置，作為一個(gè)獨(dú)立的單元用于無(wú)線生物標(biāo)記物傳感。液晶屏顯示生物標(biāo)記物測(cè)量的實(shí)時(shí)讀數(shù)和時(shí)間剖面，而藍(lán)牙接收器將讀數(shù)轉(zhuǎn)發(fā)給定制開發(fā)的移動(dòng)應(yīng)用程序，以便將數(shù)據(jù)上傳到云服務(wù)器以進(jìn)行進(jìn)一步分析。

研究小組將基于FESS的智能手表貼在受試者的前臂上，以顯示其作為監(jiān)測(cè)生物標(biāo)記物的可穿戴系統(tǒng)的功能。受試者可以通過(guò)無(wú)線方式控制設(shè)備，根據(jù)用戶的日常生活進(jìn)行實(shí)時(shí)、基于汗液的生物標(biāo)記物測(cè)量。用戶在進(jìn)食混合食物之前或之后監(jiān)測(cè)他們的出汗葡萄糖水平，智能手表的讀數(shù)顯示，進(jìn)食后出汗葡萄糖水平升高，與以前的趨勢(shì)一致。此外，智能手表還為用戶提供了在野外跑步時(shí)的出汗乳酸讀數(shù)信息，盡管參與了基于高頻和高加速度的身體運(yùn)動(dòng)，但結(jié)果是一致的。

定制開發(fā)的FESS集成智能手表，用于車身應(yīng)用。

通過(guò)這種方式，該團(tuán)隊(duì)檢查了生物標(biāo)記物的信息傳遞途徑，并識(shí)別出微流體傳感模塊內(nèi)的近零應(yīng)變區(qū)域，從而設(shè)計(jì)出應(yīng)變隔離路徑，以保持生物標(biāo)記物數(shù)據(jù)的保真度。形成獨(dú)立FESS實(shí)體的薄膜系統(tǒng)受到整合素樣功能的生物啟發(fā)，通過(guò)雙面粘附進(jìn)行信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)和信號(hào)互連。FESS有效地橋接皮膚并讀取電子信息以獲取生物標(biāo)記物信息。該團(tuán)隊(duì)將FESS系統(tǒng)與定制開發(fā)的智能手表無(wú)縫結(jié)合，作為一個(gè)可穿戴的生物傳感器，在用戶的日常生活中監(jiān)控實(shí)時(shí)生物標(biāo)記物讀數(shù)。為了將這部作品中開發(fā)的原型商業(yè)化，研究人員提出未來(lái)的臨床試驗(yàn)，以繪制基于汗液的生物標(biāo)記物讀數(shù)，并獲取用戶生理狀態(tài)的信息。這項(xiàng)工作的優(yōu)點(diǎn)，包括易于與可穿戴電子設(shè)備集成和高保真讀數(shù)，可用于進(jìn)行大規(guī)模臨床研究。
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