實時監測汗液的柔性感測器

作者:xinghuize

人們使用微創可穿戴裝置進行健康監測的需求越來越強。除了心電圖、呼吸頻率和身體溫度等生物物理指標外,人們還對實時監測一個人的代謝狀態感興趣,這些生物流體是易於取樣的,例如汗液或唾液。這些代謝標誌物可以為評估運動成績、臨床診斷和管理慢性健康狀況(包括在緊急情況下發出警報)提供了更直接的人類健康指標資訊。

在實時監測各種不同體液的時候,汗液是最容易實現的,因為它很容易被獲得,並且可以使用離子匯入或化學刺激的方法進行無創收集。此外,汗液中含有豐富的生理和代謝生物標誌物,它們是人體健康和工作表現的指標,與血漿水平密切相關,因此可以作為理想的替代診斷液。例如,汗液中的鈉可以指示身體的水合狀態和電解質不平衡,乳酸濃度可以作為肌肉疲勞的指標,氯離子水平已用於診斷囊性纖維化,皮質醇(一種應激激素)可用於評估情緒壓力以及代謝和免疫功能。汗液中的其他標誌物包括葡萄糖,用於監測一個人的能量水平,監測糖尿病,因飲食、肝功能不全或缺氧導致的蛋白質分解有關的代謝狀況的銨。為了更準確的診斷,人們可能需要實時無創生物感測器,可以同時檢測多個指示潛在健康狀況的生物標誌物。例如,運動員可能需要監測所有電解質的水平,水合作用和任何肌肉疲勞的跡象。在體能測試中,如最大攝氧量(VO2max)以及預測比賽中的表現峰值或下降時,這些水平可能是有用的。

對於一個出汗監測系統來說,最關鍵的要求是它能夠以一種微創的方式進行監測,該專案團隊成員相信這可以透過靈活的生物電子學的進步來實現。例如,最近有報告稱,有不同格式的汗液感測器,如紋身、汗帶、腕帶、頭帶,這些都是用紋身紙、纖維素紙基材、柔性聚合物以及柔性聚合物和固態積體電路(IC)器件的組合而成的。雖然感測器本身是柔性的,但由於電子元件本質上是組裝在半剛性基板上的現成的硬元件,因此要將電子元件與它們整合在一起還是有很多挑戰的。此外,由於感測器平臺無法連續從面板吸收和取樣新鮮汗液,許多早期的系統無法實時測量汗液分析物。最近,這些問題得到了更大程度的解決。在迄今為止開發的所有平臺中,基於織物的方法為汗液監測提供了最廣泛的功能,因為它們可以整合到現有的衣服上。此外,織物為基礎的面板提供自然的透氣性,促進自然出汗和蒸發冷卻,而大多數用於汗液監測的軟性聚合物基底並非如此。事實上,基於織物的汗液感測器已經在最近的文獻中被報道,例如基於數字液滴流量測量的出汗率測量,pH和乳酸的比色感測,以及pH的電位感測。甚至根據織物導電絲之間導電率的變化來監測連續出汗率也有報道。然而,基於織物的電化學感測器的這些和其他實現依賴於絲網印刷或浸塗在織物上,由於墨水在不均勻紋理織物表面上的芯吸/擴散而導致不均勻性和可變性。此外,絲網印刷可能不適合與現有服裝(如帽子和手套)在服裝已經制成後進行整合。可能需要專門的定製方法將功能材料從溶液中均勻地塗抹到織物上。該專案團隊最近提出了一種自下而上的方法,將單個功能化的線編織/縫合到一個診斷平臺上。該專案團隊的小組報告了一個完整的診斷平臺的開發,其中執行緒用於監測物理化學組織的性質,如物理(應變)和化學(pH,葡萄糖)與基於執行緒的微流控網路和電子互連整合。該專案團隊還展示了這些多功能執行緒的適用性,以補丁的形式實時監測傷口pH值,以及按需給藥。在這些演示中,螺紋的自吸芯特性已被用於實現無源無泵微流體。還有其他關於碳奈米管注入螺紋電極電位感測鉀,銨和pH的報告。執行緒固有的靈活性,可調的彈性,強度,惰性,和可控的親水或疏水性的特性使其不適合作為可穿戴感測器平臺的理想基片。此外,它們的普遍可用性和成熟的加工工藝特別有用,特別是在製作一個可以透過縫紉、縫紉或編織整合到任何現有服裝中的汗液感應平臺上。其他基於織物的感測器提出的典型織物上的方法不允許對個性化用例進行這種適應性。在這篇手稿中,該專案團隊提出了一個真正可穿戴的完全整合的基於執行緒的多路複用平臺,可以透過無線電子讀數直接從汗液中實時同時檢測鈉、銨、pH和乳酸。

該專案團隊選擇的以汗液為基礎的生物標記物面板包括鈉、乳酸、銨和pH值。這些標記物的選擇是明智的,以提供運動表現和劇烈體力活動(例如,在運動或運動中)的實時生理測量。如上所述,鈉可提供水合狀態資訊,乳酸濃度可指示肌肉疲勞(可由pH和乳酸感測器監測),銨提供無氧代謝指示。為了製造這些感測貼片,該專案團隊使用了不同的螺紋,例如塗有導電油墨的聚酯(PE)和不鏽鋼(SS)螺紋作為感測電極。分別用一層聚合物離子選擇膜和聚苯胺實現了電解質和pH的選擇性電位感測。利用特定的酶包被線獲得代謝物的安培感應。汗液感測器平臺被組裝成一個補丁,線直接放在商業繃帶的紗布上(圖1)。織物紗布便於汗液從感測區域或貼片內側輸送到貼片背面蒸發。紗布的邊緣被小心地密封在貼片和面板上,以確保汗液不會從感測區域蒸發,因為那樣會導致離子積聚。額外的織物紗布被用來收集汗液。紗布上持續的汗液蒸發確保新鮮的汗液不斷地在感測器表面進行實時測量。執行緒連線到可重複使用的無線讀出電子裝置,用於實時資料採集和電位測量(用於pH、銨和鈉感測)以及安培(用於乳酸)感測。

實時監測汗液的柔性感測器

(a) 製作步驟示意圖 1:在商用膠布的中心放置一層粘性疏水膜2:把線感測器縫在繃帶上3:放置圖案化膠膜以限定感測區4:在感應區放置吸收性紗布5:把紗布朝繃帶的外側摺疊。(b) 貼片感測器原型照片。

參考文獻:Thread-based multiplexed sensor patch for real-timesweat monitoring Trupti Terse-Thakoor, Meera Punjiya, Zimple Matharu,Boyang Lyu, Meraj Ahmad, Grace E。 Giles, Rachel Owyeung, Francesco Alaimo,Maryam Shojaei Baghini, Tad T。 Brunyé & Sameer Sonkusale

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