一种基于离子电渗的表皮生物传感器

（文章来源：钛媒体APP）

汗液和间质液也可以通过无创离子电渗获得。这种技术可以在两个皮肤穿戴电极之间施加一个温和的电流来诱导汗液或间质液中的离子迁移，完全不会损伤皮肤或解除血液，并且可以在人体休息的时候进行。Cygnus曾经首次展示了基于反相离子电渗作用传感器的腕戴式可穿戴设备，叫做GlucoWatch Biographer。这款设备通过了FDA认证，可在1小时内对间质液中的葡萄糖进行6次无创监测，持续工作超过12小时。

因为间质液成分直接从毛细血管内皮扩散，间质液中的葡萄糖水平与血糖密切相关。利用装在皮肤上的葡萄糖生物传感器可以很容易地测定从ISF中提取的葡萄糖。不过，这款设备的预热时间长达2-3小时；校正设备时仍然需要使用侵入式血糖仪；以及更为重要的是，有报道称反相离子电渗会刺激皮肤，这款产品在二十一世纪早期退出了市场。

之后，加州大学圣地亚哥分校纳米工程系研究团队开发了一个离子电渗平台，即最开始所说的柔性临时纹身传感器。其上用于反相离子电渗的电极，以及葡萄糖生物传感电极均采用丝网打印制成。这一概念平台解决了GlucoWatch Biographer的几个问题。首先，通过降低所施加的离子电渗电流和葡萄糖检测电位，减少了反相离子电渗对皮肤的刺激。其次，一次性丝网印刷纹身的方式降低了设备价格。最后，它很容易固定在皮肤表面，且不会妨碍佩戴者的活动。

这一设备成功获得了验证，表明基于离子电渗的可抛弃式葡萄糖传感平台被应用到可穿戴设备上的潜力。不过，该设备缺乏电子集成，并且需要进行长期连续监测应用的验证。清华大学与空军总医院合作，为可穿戴设备设计了一个新的传感器，使其具备带正电荷的玻黏胺糖酸的传递功能；从而加速葡萄糖向皮肤表面的传递，提升了间质液中葡萄糖采样效率。

这些基于离子电渗的葡萄糖传感器充分利用了间质液葡萄糖和血糖的密切关联，以及离子电渗在人体静止时从间质液中取样的能力。然而，通过离子电渗提取葡萄糖的效率难以控制，可能导致取样间质液的容量不一致，导致其中葡萄糖浓度发生变化。

最近，英国巴斯大学物理学研究团队开发了一款基于石墨烯像素的血糖监测贴，可以提高离子电渗对标志物提取的一致性。该平台应用了一系列石墨烯“像素”，大小与从单个毛囊中采集间质液所需的容积大小相同，使得提取可以更好地重现。

多个石墨烯像素组成的阵列可以在单个平台上实现具有冗余度的测量，以获得更高的精度。这对于表皮可穿戴式生物传感器的商业化至关重要。巴斯大学的这一设备在体外成功进行了6小时以上的无创血糖监测。目前，它还需要提升工作时间来满足需求。离子电渗最近也可被应用于刺激局部汗液分泌。方法是将汗液刺激剂（毛果芸香碱和卡巴胆碱）加载到离子电渗电极上。这种方法可以按需产生汗液，并且可以在休息时获取。

汗液刺激剂有着悠久的使用历史。早在1959年，吉布森和库克开发离子电渗时就使用了毛果芸香碱。它可以通过电荷排斥作用利用阳极渗透皮肤，促进局部汗液产生。商业化的氯离子监测产品已经出现，即Wescor的Macroduct——这款主要用于囊胞性纤维症诊断的设备正在申请FDA认证。

加州大学圣地亚哥分校纳米工程系研究团队也尝试将离子电渗汗液产生系统，以及基于电流分析的生物传感技术合并到团队研发的可穿戴临时纹身上。它的可行性及性能经过了验证，可在10分钟内测量汗液中的酒精含量，对于揭示血液酒精含量是一个有用的指标，且没有时间延迟，也没有透皮装置和检测酒驾所用的呼气测试仪的常见误差。

加州几所大学的跨校合作团队也开发了一种贴片式离子电渗汗液传感器，可用于囊胞性纤维症诊断中对钠和氯离子的测量，也可以用于对健康人群葡萄糖浓度的测量。尤为特别的是，该平台具有可定制的不同的汗液产生配置。然而，目前该平台汗液产生的持续时间只有60分钟的时间，随着时间的推移出汗率会发生变化。这可能会妨碍连续监视应用。

表皮可穿戴生物传感器的还可以在药物检测中发挥作用，以实现无创药动学研究。加州大学伯克利分校研究团队开发了一种可穿戴设备，基于毛果芸香碱刺激的离子电渗汗液或者运动产生的汗液来检测咖啡因。这个概念验证表明了生物传感器在药动学的潜力，从而展现出未来在医药技术上应用的巨大潜力。

不过，它并未集成汗液产生装置。同时，为了在安静状态下进行广泛的药动学研究，还需将定制的离子电渗设备与传感平台集成。此外，还需要对血-汗药物浓度的相关性有更深入的了解。

大部分表皮传感器只能对单一生物体液进行分析。加州大学的研究团队最近展示了同时对两种不同的生物体液进行采样和分析单一的穿戴式平台。利用离子电渗，这一可佩戴纹身可对基于离子电渗给药刺激的汗液，以及基于反相离子电渗的间质液取样，并同时分析各自包含的生物标志物。

总的来说，基于无创取样汗液和间质液监测的表皮可穿戴式平台在设备集成、传感精度、汗液/ISF生成和替代、信号传导、数据传输和多路复用传感等方面取得了显著进展；同时，相关的柔性材料和自恢复材料也有进展。然而，这一技术还需要延长使用时间，增强传感器响应与同期分析血液浓度的相关性，对生物体液有效可控的取样，以及加强汗液取样和传输，以提高检测的可靠性和关联来动态监控浓度的变化。

多路复用传感平台可以通过校正复杂因素的变化来进一步增强了监测汗液分析物的可靠性。由于满足了通过体育锻炼产生汗液的要求，目前已问世的系统特别适合体质监测。不过，为了满足如糖尿病或酒精监测的需求，需要可替代的无创取样路径，还需要扩大目标生物标志物的范围。
（责任编辑：fqj）