開(kāi)發(fā)一種能夠同時(shí)記錄皮質(zhì)醇濃度、pH值和溫度的可拆卸汗液貼片

背景介紹

如今，快節(jié)奏的現(xiàn)代生活方式正在給人們帶來(lái)高度的精神和身體壓力，這可能會(huì)削弱人體免疫系統(tǒng)，并導(dǎo)致抑郁癥、心血管疾病和庫(kù)欣病等健康問(wèn)題。由于患者對(duì)癥狀的自我報(bào)告具有高度的主觀性，因此制定能夠以定量和連續(xù)的方式跟蹤人體壓力水平的策略對(duì)于壓力相關(guān)疾病的早期診斷和及時(shí)干預(yù)至關(guān)重要。作為一個(gè)經(jīng)典的例子，下丘腦-垂體-腎上腺（HPA）軸的最終產(chǎn)物皮質(zhì)醇——“應(yīng)激激素”通常是衡量身體應(yīng)激水平的定量指標(biāo)，因?yàn)樗臐舛韧鶗?huì)隨著應(yīng)激而增加，這是維持體內(nèi)平衡的自然反應(yīng)。因此，實(shí)時(shí)和連續(xù)監(jiān)測(cè)人體生物流體中的皮質(zhì)醇以及其他相關(guān)的化學(xué)和生物標(biāo)志物，對(duì)于跟蹤人體的健康/情緒狀態(tài)、代謝和免疫反應(yīng)至關(guān)重要。在所有人類生物流體中，汗液是皮質(zhì)醇分析的一個(gè)極具吸引力的目標(biāo)，因?yàn)樗哂蟹乔秩胄院鸵子讷@取的樣本。因此，對(duì)新排泄汗液中皮質(zhì)醇水平的實(shí)時(shí)捕獲和分析的需求促使人們繼續(xù)努力開(kāi)發(fā)生物集成分析工具，理想情況下，具有無(wú)線傳感功能。

最近的工作報(bào)告了各種形式的皮質(zhì)醇傳感器的演示，包括基于電化學(xué)阻抗譜（EIS）、微分脈沖伏安法（DPV）、循環(huán)伏安法（CV）、計(jì)時(shí)電流法（CA）、場(chǎng)效應(yīng)/電化學(xué)晶體管、和比色法的傳感器。開(kāi)創(chuàng)性研究的顯著成功為將這一概念用于生物醫(yī)學(xué)研究和轉(zhuǎn)化工程中的應(yīng)力監(jiān)測(cè)和管理鋪平了道路。然而在建立現(xiàn)成的生物化學(xué)傳感平臺(tái)時(shí)，以下問(wèn)題需要額外關(guān)注：1）皮質(zhì)醇識(shí)別接口的設(shè)計(jì)值得進(jìn)一步研究，以確保傳感器的動(dòng)態(tài)范圍能夠完全涵蓋生理相關(guān)濃度，因?yàn)槠べ|(zhì)醇等激素的水平自然較低（汗液中為0.4–142 ng/ml?1）。該系統(tǒng)還應(yīng)允許在合理的時(shí)間內(nèi)在芯片上產(chǎn)生可測(cè)量的信號(hào)，而不依賴于額外的化學(xué)物質(zhì)（例如，用于免疫測(cè)定的試劑、用于EIS的氧化還原探針）。2） 皮質(zhì)醇的傳統(tǒng)傳感策略，如CV、DPV和EIS，需要安裝在印刷電路板上的復(fù)雜硬件集合：大多數(shù)現(xiàn)有的可穿戴傳感技術(shù)利用數(shù)字無(wú)線方案（如藍(lán)牙、近場(chǎng)通信）和用于信號(hào)生成/處理和電源管理/供應(yīng)的附加子系統(tǒng)。在最小化所產(chǎn)生的系統(tǒng)的總體尺寸、厚度、重量、靈活性和對(duì)皮膚的順應(yīng)性方面的困難代表了在實(shí)現(xiàn)其在日?；顒?dòng)中以人為中心的健康監(jiān)測(cè)的應(yīng)用方面的實(shí)際挑戰(zhàn)。

本文亮點(diǎn)

1. 本工作報(bào)告了一種基于“兩部分”諧振電路模型的無(wú)電池設(shè)備技術(shù)，該諧振電路模型具有模塊化、物理分離和可拆卸的功能單元，用于磁耦合和生物傳感。

2. 演示了一種能夠同時(shí)記錄皮質(zhì)醇濃度、pH值和溫度的可拆卸汗液貼片，突出了“兩部分”電路在先進(jìn)、變革性生物傳感方面的潛力。

圖文解析

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圖1 多功能表皮傳感系統(tǒng)的設(shè)備概念以及在高級(jí)醫(yī)療保健中的預(yù)期應(yīng)用。a） 應(yīng)激誘導(dǎo)皮質(zhì)醇生成的示意圖。壓力會(huì)觸發(fā)中樞神經(jīng)系統(tǒng)中促腎上腺皮質(zhì)激素釋放激素（CRH）的分泌，從而誘導(dǎo)促腎上腺皮質(zhì)素的產(chǎn)生，并進(jìn)一步觸發(fā)腎上腺中皮質(zhì)醇的產(chǎn)生。產(chǎn)生的皮質(zhì)醇會(huì)通過(guò)循環(huán)系統(tǒng)輸送到汗腺，最終以汗液的形式排出體外。b） 這項(xiàng)工作中報(bào)道的使用可穿戴、基于共振電路的汗液貼片同時(shí)監(jiān)測(cè)汗液皮質(zhì)醇、pH值和溫度的概念，用于日常醫(yī)療保健，以及壓力相關(guān)疾病的早期預(yù)防和診斷。

圖2 基于“兩部分”諧振電路的表皮傳感系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)和傳感機(jī)制。a） 由皮質(zhì)醇傳感器、汗液pH傳感器和溫度傳感器組成的多功能可穿戴汗液貼片的示意圖。b） “兩部分式”傳感器系統(tǒng)的分解圖，顯示了關(guān)鍵功能層，包括LC磁耦合單元、金工作電極、微流體通道和一塊作為皮膚界面的雙面醫(yī)用粘合劑。（c，d）LC耦合單元c）和具有蛇形線的金工作電極d）的顯微圖像。e） 用于可視化目的的充滿有色液體的微流體的照片。藍(lán)色軌跡代表用于汗液速率測(cè)量的微流體通道，紅色軌跡代表用于測(cè)量汗液皮質(zhì)醇和pH的汗液收集通道。f）化學(xué)傳感系統(tǒng)的電路圖和方案顯示了模塊化、可拆卸的傳感器設(shè)計(jì)，一次性直流和可重復(fù)使用的交流部件通過(guò)磁鐵連接。

當(dāng)由外部讀取器系統(tǒng)（矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀）輻射的RF能量供電時(shí)，DC部分中電勢(shì)的變化將導(dǎo)致AC部分的諧振頻率的偏移。g–i）顯示“兩部分”電子設(shè)備組裝過(guò)程的照片。j） 共振曲線和k）在循環(huán)連接-拆卸循環(huán)之后提取的裝置的共振頻率。單個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)表示三次測(cè)量的平均值，誤差條表示三次（n=3）測(cè)量的標(biāo)準(zhǔn)偏差。l） 具有變化的DC輸入作為變?nèi)?a target="_blank">二極管的反向偏置的代表性耦合單元的諧振曲線和m）提取的諧振頻率，其顯示了電壓靈敏度。單個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)表示三次測(cè)量的平均值，誤差條表示三次（n=3）測(cè)量的標(biāo)準(zhǔn)偏差。

圖3 傳感平臺(tái)的機(jī)械魯棒性和操作范圍的特征。a） 將傳統(tǒng)的“一部分”LC諧振傳感器（FET：場(chǎng)效應(yīng)晶體管）與本工作中報(bào)道的“兩部分”設(shè)計(jì)進(jìn)行比較的示意圖。b） 曲線表面上彎曲配置的“兩部分式”傳感器的照片。c） 諧振曲線和d）提取了當(dāng)部署在具有變化曲率半徑的表面上時(shí)傳感器的諧振頻率和回波損耗的大?。ㄒ詃B為單位）。單個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)表示三次測(cè)量的平均值，誤差條表示三次（n=3）測(cè)量的標(biāo)準(zhǔn)偏差。e） 通過(guò)改變初級(jí)讀出線圈和LC傳感器之間的相對(duì)位置（坐標(biāo)系單位：mm）進(jìn)行位移測(cè)試的實(shí)驗(yàn)裝置示意圖。f–h）多功能系統(tǒng)中三個(gè)LC傳感器在不同位置的諧振頻率變化。

圖4 具有適體功能化工作電極的皮質(zhì)醇傳感裝置的性能表征。a） 抗皮質(zhì)醇適體功能化電極的傳感機(jī)制示意圖。具有帶負(fù)電荷的磷酸二酯酶主鏈的適體在與皮質(zhì)醇結(jié)合時(shí)發(fā)生構(gòu)象變化。b） 工作電極在皮質(zhì)醇濃度變化的溶液中的校準(zhǔn)圖。單個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)表示三個(gè)不同電極的平均值，誤差條表示三個(gè)電極（n=3）的測(cè)量值的標(biāo)準(zhǔn)偏差。c） 具有不同適體/MCH比率的工作電極的校準(zhǔn)圖。單個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)表示三個(gè)不同電極的平均值，誤差條表示三個(gè)電極（n=3）的測(cè)量值的標(biāo)準(zhǔn)偏差。d） 抗皮質(zhì)醇適體功能化電極對(duì)皮質(zhì)醇與干擾物的反應(yīng)。e） 抗皮質(zhì)醇功能化工作電極在具有不同皮質(zhì)醇濃度的1X PBS溶液中的EIS表征（奈奎斯特圖）。f） 基于E.中的奈奎斯特圖提取的電荷轉(zhuǎn)移電阻g）與抗皮質(zhì)醇功能化工作電極集成的無(wú)線傳感器系統(tǒng)對(duì)具有不同皮質(zhì)醇濃度的1X PBS溶液的響應(yīng)的共振曲線和h）無(wú)線傳感器系統(tǒng)的提取校準(zhǔn)圖。單個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)表示三個(gè)不同傳感器的平均值，誤差條表示三個(gè)傳感器測(cè)量值的標(biāo)準(zhǔn)偏差（n=3）。

圖5 基于LC諧振的“兩部分式”汗液貼片中pH和溫度傳感器的設(shè)計(jì)和表征。a） PANI的電聚合過(guò)程和pH傳感機(jī)理示意圖。b） 基于PANI的pH傳感界面的校準(zhǔn)圖顯示了pH和OCP之間的線性關(guān)系。單個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)表示三次測(cè)量的平均值，誤差條表示三次（n=3）測(cè)量的標(biāo)準(zhǔn)偏差。c） 在具有不同pH值的溶液中獲得的集成無(wú)線傳感器的共振曲線和d）提取的校準(zhǔn)圖。單個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)表示三次測(cè)量的平均值，誤差條表示三次（n=3）測(cè)量的標(biāo)準(zhǔn)偏差。e） 基于PEG的溫度傳感器的傳感機(jī)制的示意圖，以及顯示傳感器結(jié)構(gòu)的電路圖、分解圖和照片。f） 在不同溫度下獲得的無(wú)線溫度傳感器的共振曲線和g）提取的校準(zhǔn)圖。單個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)表示三次測(cè)量的平均值，誤差條表示三次（n=3）測(cè)量的標(biāo)準(zhǔn)偏差。h） 無(wú)線溫度傳感器的實(shí)時(shí)響應(yīng)。

圖6 集成無(wú)線汗液貼片，用于人體生化和生物物理信號(hào)分析。a） 受試者在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中佩戴多功能汗貼的照片，以及b–c）放大層壓在手臂皮膚表面的汗貼的視圖。d） 使用連接到手持式VNA的初級(jí)線圈無(wú)線記錄信號(hào)。e） 人體皮膚上微流體通道變形的照片。f） 顯示運(yùn)動(dòng)過(guò)程中不同時(shí)間點(diǎn)彩色汗液流經(jīng)微流體通道的連續(xù)照片，用于估計(jì)出汗率。g） 運(yùn)動(dòng)前/運(yùn)動(dòng)后記錄的多功能汗液貼片的共振曲線，用于同時(shí)監(jiān)測(cè)皮質(zhì)醇水平、汗液pH值和皮膚溫度，并放大顯示每個(gè)傳感器共振頻率變化的曲線。h） 通過(guò)傳感器和i）ELISA測(cè)定量化三種不同人類受試者在運(yùn)動(dòng)期間汗液皮質(zhì)醇水平的變化。j） 使用皮質(zhì)醇可穿戴傳感器和ELISA測(cè)定記錄健康受試者在三天內(nèi)汗液皮質(zhì)醇水平的晝夜節(jié)律。k） 傳感器檢測(cè)到一個(gè)人在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中汗液pH值的變化。l） 由三個(gè)不同的人類受試者構(gòu)建的運(yùn)動(dòng)過(guò)程中汗液pH值變化的總結(jié)。m） 一個(gè)人受試者在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中皮膚溫度的變化，同時(shí)記錄的IR相機(jī)圖像顯示了傳感器位置周圍的皮膚溫度，用于比較。n） 由三個(gè)不同的人類受試者構(gòu)建的運(yùn)動(dòng)過(guò)程中皮膚溫度變化的總結(jié)。（h）和（j–n）中的單個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)表示三次測(cè)量的平均值，誤差條表示三次（n=3）測(cè)量的標(biāo)準(zhǔn)偏差。

審核編輯：劉清