像紋身一樣“穿”在皮膚上的酒精監(jiān)測傳感器

據(jù)麥姆斯咨詢報(bào)道，加州大學(xué)圣地亞哥分校的工程師們開發(fā)出一種微型、功耗超低、可植入皮膚表面的生物傳感器，能長期連續(xù)地對體內(nèi)酒精含量進(jìn)行監(jiān)測。芯片的尺寸非常小，因此可以植入人體皮膚的表皮之下，并采用如智能手表或智能貼片（patch）等無線可穿戴設(shè)備供電。

“這項(xiàng)工作的最終目標(biāo)是為濫用藥物治療項(xiàng)目的病人開發(fā)一種常規(guī)且容易被接受的酒精和藥物監(jiān)測設(shè)備?！奔又荽髮W(xué)圣地亞哥分校雅可布工程學(xué)院的電氣工程教授Drew Hall談到。Hall也供職于加州大學(xué)圣地亞哥分校的無線通信中心和可穿戴式傳感器中心。他的團(tuán)隊(duì)于4月10日在圣地亞哥召開的2018屆IEEE定制化集成電路會議上（CICC）提出了這項(xiàng)工作。

病人的治療方案面臨的挑戰(zhàn)之一是缺乏方便的常規(guī)監(jiān)測工具。Hall認(rèn)為，呼吸分析儀是目前估測血液中酒精濃度的最常見方式，缺點(diǎn)是笨拙、初始化時(shí)間長且不夠準(zhǔn)確。驗(yàn)血是最精確的方法，但需要訓(xùn)練有素的技術(shù)人員才能完成。形似“紋身”的酒精監(jiān)測傳感器是可以“穿”在皮膚上的新選擇，也方便在一次性使用后“脫下”，是一種前景光明的傳感器。

可以植入皮膚表面的微型酒精監(jiān)測芯（與25美分硬幣的大小對比圖）

Hall說：“微小植入型傳感器可以在沒有手術(shù)室的診所內(nèi)使用，使病人更容易按照規(guī)定的療程進(jìn)行長時(shí)間的監(jiān)控。”

這款生物傳感器芯片體積大約為一立方毫米，可以植入在皮膚下的細(xì)胞間液（細(xì)胞間液是一種存在于身體細(xì)胞間質(zhì)中的組織液）。這款生物傳感器內(nèi)有一個(gè)被酒精氧化酶覆蓋的傳感器，酒精氧化酶可以選擇性地與酒精相互作用產(chǎn)生副產(chǎn)品，從而通過電化學(xué)的方式被檢測到。電信號被無線傳輸?shù)礁浇目纱┐髟O(shè)備（如智能手表），可穿戴設(shè)備同時(shí)也是給傳感器無線充電的裝置。芯片上的另外兩個(gè)傳感器則負(fù)責(zé)測量背景信號和pH值。為了保證酒精讀數(shù)更準(zhǔn)確，這兩個(gè)傳感器已被取消。

研究人員在設(shè)計(jì)時(shí)盡量將功耗降至最低，共970納瓦，大約是智能手機(jī)通話時(shí)功耗的百萬分之一?！拔覀儾幌肟吹叫酒瑢纱┐髟O(shè)備的電池壽命產(chǎn)生明顯的影響，”霍爾說：“我們不希望在植入了傳感器的皮膚部位出現(xiàn)大量發(fā)熱，也不希望有潛在毒性的電池。”

這種超低功耗芯片的工作方式之一是通過一種稱為反向散射的技術(shù)傳輸數(shù)據(jù)。當(dāng)附近有智能手表這類設(shè)備向芯片發(fā)送射頻信號，芯片則將數(shù)據(jù)修改并返回反射信號給智能手表。研究人員還為芯片設(shè)計(jì)了超低功耗傳感器讀出電路，將測量時(shí)間減少至三秒，從而降低了功耗。

研究人員已完成體外環(huán)境對植入人體的模擬測試，主要通過將乙醇混合在稀釋的人體血清再植入豬的皮膚下。

為了將來的研究，研究人員計(jì)劃在動物活體上進(jìn)行芯片的測試。Hall的團(tuán)隊(duì)與在加州圣地亞哥Qualcomm Institute Innovation Space成立的創(chuàng)業(yè)公司CARI Therapeutics、在加州圣地亞哥專攻物質(zhì)濫用障礙個(gè)體治療的成癮精神病學(xué)家Carla Marienfeld博士開展合作，優(yōu)化下一代康復(fù)監(jiān)測芯片。Hall的團(tuán)隊(duì)正在研發(fā)這種可以監(jiān)測體內(nèi)其他分子和藥物的生物芯片。

“這是一項(xiàng)概念平臺已被證明的技術(shù)。我們已經(jīng)證明這種芯片可以用于酒精監(jiān)測，但我們將研發(fā)出可以監(jiān)測不同濫用物質(zhì)的芯片。并且可以根據(jù)病人需求，定制監(jiān)測所需物質(zhì)的芯片，以提供長期的個(gè)性化醫(yī)療監(jiān)測。”霍爾說。