從汗液看出健康

汗液是機(jī)體正常活動代謝的產(chǎn)物，早在古代，人們就通過汗液的顏色及氣味診斷身體的健康狀況?！稖夭l辨·汗論》記載：“汗也者，合陽氣陰精蒸化而出者也”。汗液不僅是機(jī)體體表蒸發(fā)的液體，同時(shí)還匯聚臟腑功能的代謝信息，富含大量潛在的與健康和疾病相關(guān)的生物標(biāo)志物，與血液和尿液檢測相比，汗液具有長期穩(wěn)定、非侵入式采集與實(shí)時(shí)監(jiān)測等優(yōu)勢，通過皮膚表面汗液分析實(shí)現(xiàn)無創(chuàng)健康監(jiān)測與疾病診斷，在醫(yī)療健康領(lǐng)域具有重大意義和廣闊市場前景。

可穿戴電化學(xué)傳感器件的發(fā)展使得動態(tài)健康實(shí)時(shí)監(jiān)測成為可能，通過實(shí)時(shí)、快速檢測汗液中成分的變化，準(zhǔn)確反應(yīng)人體代謝機(jī)能指標(biāo)。然而，現(xiàn)有的汗液傳感平臺并不能準(zhǔn)確探測低濃度生物標(biāo)志物，無法多模態(tài)識別以及難以大規(guī)模制備，極大地限制了其在可穿戴健康檢測領(lǐng)域的應(yīng)用。因此，如何實(shí)現(xiàn)汗液可控采集、信號高效穩(wěn)定監(jiān)測、生理指標(biāo)動態(tài)響應(yīng)是研究人員亟待解決的問題。為解決上述問題，2019年11月25日，加州理工學(xué)院醫(yī)學(xué)工程系高偉（Wei Gao）教授研究團(tuán)隊(duì)在Nature Biotechnology雜志上發(fā)表長文文章Alaser-engraved wearable sensor for sensitive detection of uric acid and tyrosine in sweat，采用低成本大規(guī)模激光加工工藝，設(shè)計(jì)制備了可穿戴的基于石墨烯的電化學(xué)傳感器、溫度傳感器與應(yīng)力傳感器，實(shí)現(xiàn)了運(yùn)動過程中呼吸心跳等生理信號實(shí)時(shí)監(jiān)控，并通過溫度校準(zhǔn)補(bǔ)償，實(shí)現(xiàn)了非侵入式生物標(biāo)記物準(zhǔn)確探測（例如低濃度的尿酸與氨基酸）。

進(jìn)一步通過設(shè)計(jì)優(yōu)化多層微流道結(jié)構(gòu)，結(jié)合柔性電路板，得到集成化多模式皮膚傳感貼片，并配合微流道結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)一體化、可編程、自動化分析平臺的研發(fā)，用于非侵入式汗液多項(xiàng)微量生物信息的原位準(zhǔn)確探測與實(shí)時(shí)新陳代謝管理，并通過這些生理指標(biāo)的變化與反饋實(shí)現(xiàn)動態(tài)分析及新陳代謝輔助管理。該項(xiàng)工作拓展了可穿戴傳感器件在醫(yī)療健康領(lǐng)域的應(yīng)用，受到了各界研究學(xué)者的廣泛關(guān)注。

全激光加工的面向新陳代謝與健康管理的皮膚上的實(shí)驗(yàn)室。a） 基于全激光加工的傳感平臺; b） 多功能傳感平臺：尿酸、酪氨酸、溫度、生理信號（心率/呼吸）、汗液流速; c） 柔性傳感平臺示意圖。

皮膚上的實(shí)驗(yàn)室實(shí)時(shí)監(jiān)測。a） 可穿戴傳感貼片貼附于身體不同部位示意圖; b） 在固定負(fù)載騎車運(yùn)動過程中，實(shí)時(shí)尿酸及酪氨酸信號響應(yīng)變化; c）對于運(yùn)動人群與缺乏運(yùn)動人群，在同樣運(yùn)動過程中，酪氨酸濃度的動態(tài)響應(yīng)。

基于全激光加工的傳感平臺，研究人員實(shí)現(xiàn)了汗液中尿酸與酪氨酸的準(zhǔn)確監(jiān)測，并通過微流道結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)了汗液動態(tài)持續(xù)采集監(jiān)測。此外，尿酸作為痛風(fēng)病癥的重要監(jiān)測指標(biāo)，可以輔助痛風(fēng)病癥健康管理。利用該可穿戴傳感平臺，研究人員對痛風(fēng)患者與健康人群血液/汗液中的尿酸進(jìn)行相關(guān)濃度檢測，證實(shí)了血液與汗液中尿酸濃度的高度關(guān)聯(lián)性，實(shí)現(xiàn)了非侵入式持續(xù)性痛風(fēng)病癥管理。

進(jìn)一步，該傳感平臺可以通過修飾/改性等方式，實(shí)現(xiàn)更多特定生物標(biāo)記物的準(zhǔn)確探測，拓展健康管理手段與應(yīng)用場景。配合云端存儲與大數(shù)據(jù)分析，實(shí)現(xiàn)多任務(wù)、可調(diào)控的無創(chuàng)式原位長期監(jiān)測、生理指標(biāo)趨勢動態(tài)分析與新陳代謝輔助管理。

利用皮膚上的實(shí)驗(yàn)室實(shí)現(xiàn)非侵入式痛風(fēng)病癥管理。a） 富含嘌呤食物增大患痛風(fēng)病癥風(fēng)險(xiǎn); b，c） 對于健康志愿者，空腹條件及飽食嘌呤食物后血液/汗液中尿酸濃度; d） 痛風(fēng)患者、高尿酸癥候群以及健康人群的血液/汗液尿酸濃度對比; e） 飽食嘌呤食物后血液/汗液尿酸濃度的動態(tài)響應(yīng)。

該傳感器可大量生產(chǎn)，并且比當(dāng)前可以檢測汗液成分的相關(guān)設(shè)備更為靈敏，能夠檢測出濃度低得多的汗液化合物。

高說，他發(fā)明的傳感器使用微流體技術(shù)，具有在分子水平上快速，連續(xù)和無創(chuàng)地捕獲健康變化的潛力，因此只需要極少量的汗液就可以完成檢測。

這種可穿戴式傳感器使用寬度小于四分之一毫米的通道來引流，在這種情況下，新鮮供應(yīng)的汗液流經(jīng)微通道，可以更準(zhǔn)確地測量汗液并持續(xù)捕獲想要的化合物，還可以測量呼吸頻率、心率以及尿酸和酪氨酸水平。

選擇酪氨酸作為指標(biāo)物是因?yàn)樗梢灾甘敬x紊亂，選擇尿酸是因?yàn)槠渌缴邥鹜达L(fēng)。在測試中，該傳感器能夠準(zhǔn)確判定是否有人患有痛風(fēng)。到目前為止，這種類型的大多數(shù)可穿戴式傳感器都是通過光刻蒸發(fā)工藝制造的，該工藝需要更復(fù)雜，更昂貴的制造工藝。而新發(fā)明的傳感器是由石墨烯制成的，與使用其他技術(shù)的類似傳感器相比，它們的制造要容易得多也便宜得多。