可穿戴式汗液生物傳感器具有樣本采集方便、生理相關(guān)性強(qiáng)、無(wú)創(chuàng)縱向監(jiān)測(cè)人體等特點(diǎn)。然而，要將這一領(lǐng)域發(fā)展到真正能夠代表“皮膚上的實(shí)驗(yàn)室”技術(shù)的水平，需要整合先進(jìn)的功能，讓用戶可以自由地選擇進(jìn)行監(jiān)測(cè)的時(shí)間，并且能夠挑選設(shè)備中嵌入的傳感器，以進(jìn)行特定條件的樣本分析。 ?
近期，美國(guó)北卡羅來(lái)納州立大學(xué)的Amay J. Bandodkar教授團(tuán)隊(duì)提出了一種具備以上這些功能的可穿戴微流控平臺(tái)，通過(guò)在微流控結(jié)構(gòu)中集成手指驅(qū)動(dòng)泵、閥門和傳感器，實(shí)現(xiàn)了按需、縱向的汗液分析。
微流控結(jié)構(gòu)的基本原理
該可穿戴系統(tǒng)由軟光刻加工而成的柔性有機(jī)硅彈性體組成，其機(jī)械性能與皮膚相似（圖1A）。該裝置依賴于巧妙設(shè)計(jì)的被動(dòng)毛細(xì)終止閥（CBVs）和手指驅(qū)動(dòng)氣動(dòng)泵，實(shí)現(xiàn)先進(jìn)的汗液采集控制。如圖1B所示，該裝置的入口室通過(guò)微流道和CBVs連接到四個(gè)獨(dú)立的傳感室。每個(gè)傳感室進(jìn)而連接到一個(gè)手指驅(qū)動(dòng)的吸入泵。汗液通過(guò)入口進(jìn)入裝置，直到到達(dá)CBVs。
此時(shí)，CBVs的突破壓力高于生理汗液壓力，因此汗液不能流到CBVs以外（閥門處于“關(guān)閉”狀態(tài)）。當(dāng)用戶拉動(dòng)拉扣激活泵時(shí)（圖1C），產(chǎn)生的氣動(dòng)吸力會(huì)打開相應(yīng)的CBV，并讓在入口室收集的汗液流入對(duì)應(yīng)的傳感室進(jìn)行按需分析（圖1E）。
圖1 可穿戴微流體貼片用于按需、縱向和多分析物汗液監(jiān)測(cè)
手指驅(qū)動(dòng)氣動(dòng)泵的優(yōu)化設(shè)計(jì)
氣動(dòng)泵由一個(gè)帶有塌陷的硅膠薄膜頂?shù)目涨唤M成。向上拉硅膠薄膜頂部粘貼的紙質(zhì)拉扣，通道內(nèi)產(chǎn)生驅(qū)動(dòng)壓差，將汗液從入口室輸送到傳感室。該研究中均采用空腔高度為200μm的氣動(dòng)泵，因?yàn)檫@個(gè)高度最大限度地降低了由于泵的意外擠壓而將采集腔內(nèi)樣本推出設(shè)備的風(fēng)險(xiǎn)。
此外，只有當(dāng)施加在氣動(dòng)泵紙質(zhì)拉扣上的拉力約為94mN時(shí)，樣本才會(huì)從入口室完全轉(zhuǎn)移到傳感室，18mN以下的拉力可忽略不計(jì)。
圖2 手指驅(qū)動(dòng)氣動(dòng)泵功能研究
傳感室的優(yōu)化
為了提高樣本在傳感室中的擴(kuò)散效果，傳感室中加入了具有強(qiáng)導(dǎo)流特性的纖維素膜，使得樣本在傳感室內(nèi)快速均勻的擴(kuò)散，而不依賴于拉扣被拉的速率。圖3展示了樣本在堆疊有不同層數(shù)的膜的單通道裝置的傳感室內(nèi)的擴(kuò)散效果。采用單膜（厚度：10μm）可以明顯改善汗液空間分布，但填充均勻性仍需要提高。采用兩層和三層膜的裝置則能更有效地泵送并均勻地分配汗液。
此外，多層膜加空腔的系統(tǒng)使得傳感室有空間收集額外的不與膜結(jié)合的樣本，并與嵌入的傳感器相互作用，以獲得可靠的檢測(cè)結(jié)果。四層膜則阻礙了泵送機(jī)制，使相當(dāng)數(shù)量的汗液滯留在入口室，而且，四層膜的傳感室展現(xiàn)出分布不均勻的區(qū)域（左上角）。
因此，具有兩層堆疊膜的系統(tǒng)更適合于此設(shè)備，因其促進(jìn)了樣本有效的泵送和均勻的分布。
圖3 樣本在傳感室內(nèi)分布的研究
樣本混合及機(jī)械變形和慣性力對(duì)裝置性能影響的研究
研究人員還研究了前后產(chǎn)生的樣本是否會(huì)交叉污染。使用經(jīng)過(guò)校準(zhǔn)的傳感室的紅色強(qiáng)度（R值）用于評(píng)估樣本在傳感室滯留的程度。
結(jié)果顯示，與各自的R值基線相比，兩個(gè)透明室的R值小于6%，兩個(gè)紅色室的R值大于95%，說(shuō)明由于泵和閥的穩(wěn)健性，前后產(chǎn)生的樣本混合污染問(wèn)題可以忽略。
證明CBVs即使在受到張力和慣性力情況下，也能阻止汗液流到傳感室，實(shí)現(xiàn)了該裝置的按需可穿戴傳感功能（圖4）。
圖4 彎曲力和慣性力對(duì)裝置性能的影響
人體試驗(yàn)
研究人員通過(guò)2天的試驗(yàn)，在受試者前臂內(nèi)側(cè)使用這種設(shè)備演示其在實(shí)際中的應(yīng)用（圖5A）。受試者每天早晚兩次、連續(xù)兩天在固定自行車上進(jìn)行約10分鐘的中等節(jié)奏騎行。在每次騎行過(guò)程中，入口室收集汗液，同時(shí)通過(guò)出口排出多余的汗液。
在每回騎行結(jié)束時(shí)，拉動(dòng)拉扣激活泵，驅(qū)動(dòng)收集的汗液樣本流到相應(yīng)的傳感室，按需檢測(cè)四種標(biāo)志物（氯、鈣、葡萄糖和pH值），測(cè)量濃度都在汗液的生理范圍內(nèi)（如圖5B-E所示），證明該裝置能夠按需、跨時(shí)間軸的進(jìn)行汗液采樣檢測(cè)。
圖5?人體試驗(yàn)
綜上，通過(guò)精心設(shè)計(jì)的手指驅(qū)動(dòng)泵、閥門和傳感室，這種新型無(wú)創(chuàng)可穿戴設(shè)備，可以對(duì)一系列汗液標(biāo)志物進(jìn)行無(wú)電子、按需、縱向和同步監(jiān)測(cè)。同時(shí)，該研究里的概念、材料和設(shè)計(jì)原理很容易整合不同的傳感器，并有助于理解汗液生物化學(xué)以及汗液監(jiān)測(cè)在無(wú)創(chuàng)生理監(jiān)測(cè)中的重要性。
論文鏈接：
https://doi.org/10.1021/acssensors.2c01669
審核編輯：劉清