哈尔滨工业大学，南方科技大学，中南林业科技大学：研究一种用于高效健康监测的自主织物电化学生物传感

可穿戴电子设备的最新突破正在彻底改变个性化医疗和远程医疗的面貌，超越了需要侵入性常规检查或症状触发干预的传统方法。作为下一代可穿戴电子产品的有力竞争者，智能纺织品因其柔软性、渗透性、耐用性和舒适性而引起了广泛的研究关注。大量的研究工作一直致力于可穿戴织物电子产品，从跟踪身体活动期间的生物物理信号扩展到监测生物流体中的生化信号。这一演变在分子水平上提供了更具洞察力的生理信息，逐渐模糊了用户和可穿戴医疗设备之间的界限。

汗液是一种有吸引力的生物流体，因其广泛的可及性、丰富的生化分子信息而受到重视，更重要的是，它是非侵入性的，能够进行持续监测。生物传感织物的最新进展已成功应用于汗液中的实时生物信号监测，包括检测电解质、代谢物、营养素等。高效的汗液采样标志着基于汗液的传感器朝着可靠的生物标志物分析迈出了第一步。尽管如此，久坐不动的人和场景中固有的汗液不可获取性限制了我们利用这种非侵入性和有见地的分子水平信息来源的能力。尽管已经探索了涉及多孔水凝胶和亲水性填料的各种策略，但由于分泌率低和样品稀释，获得足够可靠的生物流体用于传感器分析仍然具有挑战性。对特定用户群体和场景的有限适用性，再加上低分泌率和样本稀释，限制了广泛采用的潜力。或者，离子电渗疗法通过表皮电刺激实现主动汗液诱导，以克服特定场景和目标人群的局限性，但引起了人们对施加高水平电流刺激引起的疼痛、烧伤和汗液成分失真的担忧。此外，目前的生物传感织物稳定性有限，这阻碍了它们通过汗液持续监测健康状况的能力。因此，通过使用基于织物的电化学生物传感器开发高效、舒适和长期的健康监测系统至关重要，但具有挑战性。

本文亮点

1. 本工作首先介绍了一种舒适、自主和集成的离子电渗生物传感纺织系统，该系统具有按需刺激皮肤接口的汗液诱导单元。

2. 该纺织系统使用皮肤界面稳定的离子电渗疗法水凝胶电极，可增强界面顺应性并优化界面阻抗，消除了传统离子电渗疗法中对高电流刺激的需求。

3. 通过将生物传感纤维与稳定的转导层设计相结合，由此产生的生物传感纺织系统可以连续收集多生物标志物数据，包括葡萄糖、乳酸、尿酸和pH值，长达6小时。

图文解析

图1. 自主刺激集成织物电化学生物传感器示意图。（a）织物生物传感系统和主要功能的说明：低电流离子电渗疗法汗液诱导和采样、原位生理信号分析以及无线数据传输和交互。（b）基于电极-皮肤界面分泌激动剂（卡巴胆碱）离子电渗疗法的局部汗液取样示意图。（c）与离子电渗疗法单元和生物传感纤维阵列集成的电化学生物传感织物系统的示意图。（d）对照组和SSIH之间的粘附强度比较（n=3，平均值±标准差）。（e）与之前报道的基于离子电渗疗法的透皮医疗系统相比，这项工作的操作电流。

图2. SSIH实现的汗液诱导单元的优化和表征。（a）在猪皮上进行搭接剪切试验时，不同聚丙烯酸含量的SSIH的粘附强度（n=3，平均值±标准差）。（b）不同聚丙烯酸含量的SSIH的拉伸应力-应变曲线。（c）不同聚丙烯酸含量的SSIH的韧性和应变（n=3，平均值±标准差）。（d）在10分钟离子电渗疗法过程后，通过SSIH获得猪皮的横截面荧光图像，其中聚丙烯酸含量为0%和10%。罗丹明B被用作可视化的模型药物；比例尺，500 µm。（e）对照样品和安装在猪皮上的SSIH的横截面显微镜图像。比例尺，200 µm。（f）对照样品和与猪皮接触的SSIH的电化学阻抗谱分析（插图，等效电路模型）。（g）在50至300 µA的不同工作电流下，基于控制电极和SSIH电极的离子电渗疗法诱导出汗的比较。比例尺，2.5 mm。

图3. 多路汗液生物传感电化学织物的优化和评价。（a）用于持续汗液取样和分析的织物生物传感系统示意图。（b和c）酶生物传感纤维和pH传感纤维的配置和机制。（d–g）（d）葡萄糖、（e）乳酸、（f）尿酸和（g）pH生物传感纤维的长期运行稳定性。（h–k）（h）葡萄糖、（i）乳酸和（j）尿酸生物传感纤维的电流响应，以及（k）pH生物传感纤维对磷酸盐缓冲盐水中相应分析物的开路电位响应。（h–k）中的插图显示了相应的传感器校准关系；相关系数分别为0.999、0.997、0.998和0.999。（l–o）（l）葡萄糖、（m）乳酸、（n）尿酸和（o）pH生物传感纤维（n=6）的再现性，相对标准偏差分别为7.43%、5.63%、7.47%和5.61%。

图4. 用于连续交叉活动汗液分析的集成电化学织物生物传感系统的体内演示和评估。（a）受试者在执行办公室工作时背部穿着电化学织物（FPCB，柔性印刷电路板）的照片。比例尺，3厘米。（b）受试者在阅读时前臂佩戴电化学织物的照片。比例尺，2厘米。（c）用于自主离子电渗疗法和实时数据显示的系统级框图和定制移动应用程序（DAC，数模转换器；ADC，模数转换器；UART，通用异步收发器；REG，稳压器；PMIC，电源管理集成电路）。（d）在办公室工作、午餐、放松和跑步条件下，对三名健康受试者进行连续的交叉活动汗液监测，每三个时间间隔进行一次离子电渗疗法出汗。

来源：柔性传感及器件