用于監(jiān)測生化標(biāo)記的可穿戴設(shè)備有望幫助實現(xiàn)更好的個性化醫(yī)療保健、遠(yuǎn)程醫(yī)療和早期疾病診斷。目前，大量研究集中在非侵入式可穿戴設(shè)備上，該種設(shè)備可以通過電化學(xué)或光學(xué)傳感器分析檢測皮膚表面的分子標(biāo)記。這種“皮膚上”的化學(xué)傳感器研究主要圍繞使用受刺激的汗液或提取的間質(zhì)液（ISF）的表皮傳感器展開。

然而，這兩種類型的傳感器都面臨著巨大的挑戰(zhàn)，包括如何在實驗環(huán)境之外持續(xù)獲取體液（例如，通過運(yùn)動或電刺激）、不同的參數(shù)如何獲?。ɡ绾挂簆H值、鹽度和溫度）、樣品如何混合、怎樣保障主要樣品免受稀釋和污染等等。這些挑戰(zhàn)，以及汗液生物標(biāo)志物與黃金標(biāo)準(zhǔn)的血液檢測的有限、未確定的相關(guān)性和顯著的時間滯后，已將非侵入性化學(xué)傳感限制在“概念驗證”演示中，在臨床實用性上沒有任何進(jìn)展。

無需分析皮膚表面的生化標(biāo)志物，而是直接在ISF中進(jìn)行皮下分析，為許多生物標(biāo)志物提供了成熟的、與血液檢測結(jié)果高度相關(guān)的檢測方法。直接ISF檢測不受其他生物流體常見的主要問題的影響，包括上述大多數(shù)問題。事實上，經(jīng)美國食品藥品監(jiān)督管理局（US Food and Drug Administration）批準(zhǔn)用于糖尿病管理的連續(xù)血糖監(jiān)測儀（CGM），可以檢測ISF中的葡萄糖含量，且結(jié)果與血液檢測具有極好的相關(guān)性。

據(jù)麥姆斯咨詢報道，近日，美國加利福尼亞大學(xué)圣迭戈分校（University of California，San Diego）的研究團(tuán)隊，基于ISF檢測方法，開發(fā)了一種完全集成的、可穿戴微針陣列設(shè)備。該設(shè)備用于無線和連續(xù)實時監(jiān)測志愿者日常活動中的兩種代謝物（乳酸和葡萄糖，或酒精和葡萄糖）。相關(guān)研究成果發(fā)表在Nature Biomedical Engineering上。

該設(shè)備包括可重復(fù)使用的電子器件和一次性微針陣列，可與定制的智能手機(jī)應(yīng)用程序配合使用，用于數(shù)據(jù)采集和可視化。此外，通過系統(tǒng)集成和優(yōu)化微加工，打造了設(shè)備的制造成本效益化、易組裝性、生物相容性、無痛皮膚穿透和高靈敏度等特征。

圖1 基于多路微針的可穿戴傳感器系統(tǒng)及其子組件示意圖

具體來看，組成設(shè)備的電子器件專為功能性、緊湊性和低功耗運(yùn)行而設(shè)計。為了獲取并傳輸電化學(xué)信號數(shù)據(jù)，電子器件系統(tǒng)使用兩個集成電路——電化學(xué)模擬前端（AFE）和藍(lán)牙低功耗系統(tǒng)級封裝（BLE SiP）。其中，AFE提供用于在多達(dá)4個獨(dú)立工作電極（WE）之間進(jìn)行多路復(fù)用、信號調(diào)節(jié)（放大和濾波）和信號數(shù)字化的電路，而BLE SiP提供用于處理數(shù)字化信號，以及用于數(shù)據(jù)傳輸?shù)腂LE無線電和嵌入式天線。為這些組件供電是通過可充電鋰離子電池（通過穩(wěn)壓器）完成的，該電池通過無線充電集成電路（IC）和充電線圈進(jìn)行感應(yīng)充電。此外，AFE和BLE SiP的功率優(yōu)化可實現(xiàn)約30天的電池壽命，同時保持相對較小的電池尺寸。除了功率優(yōu)化之外，將必要的IC數(shù)量減少到只有4個（2個用于信號采集/傳輸，2個用于電壓調(diào)節(jié)/充電），可以實現(xiàn)緊湊的設(shè)計。

而微針陣列采用聚甲基丙烯酸甲酯（PMMA）原料，通過將優(yōu)化幾何設(shè)計的三維（3D）計算機(jī)輔助設(shè)計模型傳輸?shù)接糜?a href="http://www.brongaenegriffin.com/v/tag/10980/" target="_blank">微機(jī)數(shù)控（CNC）加工的計算機(jī)輔助制造文件，實現(xiàn)對其進(jìn)行成本效益且高度可重復(fù)的微加工制造。并對其尺寸、幾何形狀和配置以及工作對參考電極的比例進(jìn)行了優(yōu)化，以實現(xiàn)可靠的機(jī)械穩(wěn)健性、最大化的分析性能。其良好的生物相容性可使尖端直徑5毫米的微針實現(xiàn)無痛皮膚穿透。

圖2電子器件和傳感器架構(gòu)示意圖

在佩戴微針5小時后拍攝的人類參與者手臂的延時圖像顯示，應(yīng)用區(qū)域沒有皮膚刺激或炎癥，其體外和體內(nèi)機(jī)械特性均證明了微針的機(jī)械穩(wěn)健性以及在整個使用過程中抗磨損的穩(wěn)定性。基于生物相容性的PMMA微針陣列以及開發(fā)的兩步滅菌方案確保了組裝后微針傳感器的安全性。此外，微針在監(jiān)測所有檢測的生物標(biāo)志物方面表現(xiàn)出良好的性能，其結(jié)果均與血液標(biāo)準(zhǔn)檢測結(jié)果具有良好的相關(guān)性，表明所開發(fā)的可穿戴傳感技術(shù)在現(xiàn)實生活場景中的實用性，有望為數(shù)字醫(yī)療保健提供有力的途徑。

圖3單分析物傳感器的體內(nèi)性能表征

圖4多路傳感器的體內(nèi)性能表征

論文鏈接：

https://doi.org/10.1038/s41551-022-00887-1

審核編輯 ：李倩