ACS Sensors | 3D打印的可穿戴汗液生物标志物监测

传感器设计摘要图

可穿戴生物传感器在无创和连续跟踪健康状况和疾病诊断方面具有巨大潜力，为个人提供对其动态生理状态的全面了解。人体汗液是一种非侵入性生物流体，可以很容易地从高密度的汗腺（超过 100 个腺体/厘米）中取样。在人体中，汗液由丰富的生物标志物组成，例如代谢物（葡萄糖、尿酸等）和电解质。生物标志物的水平表明了发生潜在疾病的风险。汗液中的葡萄糖可以准确反映血糖，测量汗液中的葡萄糖水平有利于糖尿病管理。尿酸是嘌呤代谢的最终产物，汗液中的尿酸水平表明患痛风、肾脏疾病或其他心血管疾病的风险。乳酸是无氧代谢的副产物，其在汗液中的浓度可以反映运动强度和生理状况。因此，实时监测目标生物标志物的浓度有利于对代谢和生理状态进行初步无创评估，从而实现个性化的医疗保健干预和早期发现健康问题。

“糖尿病是世界范围内的一个主要问题，”WSU博士生、该论文的第一作者Chuchu Chen说。“我认为3D打印可以对医疗保健领域产生影响，我想看看我们是否可以将3D打印与疾病检测方法相结合，创造出这样的设备。”

可穿戴传感器对基板材料的关键物理化学要求包括灵活性、拉伸性，尺寸稳定性，和防水性。聚合物是可穿戴传感器最受欢迎的功能材料，因为它具有丰富的物理/化学改性策略及其多样化的传统制造方法或新颖的制造方法，例如3D打印。具有制造成本低、易用、定制选项等优点，3D打印最近已成为微流体的替代制造方法。大多数3D打印的微流控设备的通道尺寸从数百微米到几毫米不等。3D打印过程通常需要牺牲支持材料来填补空隙。然而，支撑材料通常难以手动移除，并且会以尖锐的弯曲和复杂的内部设计阻挡通道部分，从而限制了使用3D打印来制造微流体设备的结构。

“出汗率也是人们健康的重要参数和生理指标，”华盛顿州立大学机械与材料工程学院Berry助理教授Kaiyan Qiu说。但研究人员指出，汗液中这些化学物质的含量很小，很难测量。虽然已经开发了其他汗液传感器，但它们很复杂，需要专门的设备和专业知识来制造。传感器还必须具有柔韧性和可拉伸性。

“使用单原子催化剂来提高健康监测仪的灵敏度和准确性是新颖的，”华盛顿州立大学机械与材料工程学院的研究教授Annie Du说。

由于汗液成分的浓度水平较低，因此需要可穿戴汗液传感器的传感模块在汗液生物标志物的定量检测中表现出高灵敏度和优异的选择性。在过去的几十年中，基于酶的比色法已被用于各种生物传感器。纳米酶是模仿天然酶特性的纳米材料，具有优异的稳定性、低成本、易生产和高催化活性，克服了天然酶的缺点。在纳米酶中，以原子分散的金属原子为活性位点的单原子催化剂（SACs）比传统的纳米酶具有更高的催化活性和选择性，使生物传感器具有更高的灵敏度，实现了对痕量生物分子的灵敏检测。

研究人员开发的健康监测器由非常小的通道组成，用于测量出汗率和生物标志物的浓度。研究者说，由于它们是通过3D打印制造的，因此微通道不需要任何支撑结构，这可能会在去除时引起污染问题。

“我们需要测量生物标志物的微小浓度，所以我们不希望这些支持材料存在或必须去除它们，”他说。“这就是为什么我们使用一种独特的方法来打印支撑微流体通道。”

图4. 通过3D打印的可穿戴健康监测仪进行汗液监测（68.9°F，59%湿度）的可行性研究。（A） 初步研究的位置示意图。（B） 使用智能手机应用健康监测器的光学图像，以及 ImageJ 软件对填充前沿角度的量化。（C） 捕获的汗液量与微流体前部填充角度的相关性。（D） 测试期间手臂温度和心率与时间的相关性。（E） 左臂两个位置的出汗率与时间的相关性。（F） 通过微流体健康监测仪和基于实验室的分析比较葡萄糖、乳酸和尿酸的浓度结果。

当研究人员将志愿者手臂上的监测器与实验室结果进行比较时，他们发现他们的监测器准确可靠地测量了化学物质的浓度以及出汗率。

虽然研究人员最初选择了三种生物标志物进行测量，但他们可以添加更多生物标志物，并且生物标志物可以定制。这些监测设备对志愿者来说佩戴起来也很舒适。

研究人员现在正在努力进一步改进设备的设计和验证。未来他们还希望将这项技术商业化。

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