用于監(jiān)測生化標記的可穿戴設備有望幫助實現(xiàn)更好的個性化醫(yī)療保健、遠程醫(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備上，該種設備可以通過電化學或光學傳感器分析檢測皮膚表面的分子標記。這種“皮膚上”的化學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)，以及汗液生物標志物與黃金標準的血液檢測的有限、未確定的相關(guān)性和顯著的時間滯后，已將非侵入性化學傳感限制在“概念驗證”演示中，在臨床實用性上沒有任何進展。

無需分析皮膚表面的生化標志物，而是直接在ISF中進行皮下分析，為許多生物標志物提供了成熟的、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圣迭戈分校（University of California，San Diego）的研究團隊，基于ISF檢測方法，開發(fā)了一種完全集成的、可穿戴微針陣列設備。該設備用于無線和連續(xù)實時監(jiān)測志愿者日?；顒又械膬煞N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。

該設備包括可重復使用的電子器件和一次性微針陣列，可與定制的智能手機應用程序配合使用，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，組成設備的電子器件專為功能性、緊湊性和低功耗運行而設計。為了獲取并傳輸電化學信號數(shù)據(jù)，電子器件系統(tǒng)使用兩個集成電路——電化學模擬前端（AFE）和藍牙低功耗系統(tǒng)級封裝（BLE SiP）。其中，AFE提供用于在多達4個獨立工作電極（WE）之間進行多路復用、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）和充電線圈進行感應充電。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)化幾何設計的三維（3D）計算機輔助設計模型傳輸?shù)接糜?a href="http://www.socialnewsupdate.com/v/tag/10980/" target="_blank">微機數(shù)控（CNC）加工的計算機輔助制造文件，實現(xiàn)對其進行成本效益且高度可重復的微加工制造。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行了優(yōu)化，以實現(xiàn)可靠的機械穩(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，應用區(qū)域沒有皮膚刺激或炎癥，其體外和體內(nèi)機械特性均證明了微針的機械穩(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志物方面表現(xiàn)出良好的性能，其結(jié)果均與血液標準檢測結(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