可穿戴可拉伸传感器能够快速连续无创地检测固态皮肤生物标志物

早期发现疾病需要快速、持续和方便地监测重要的生物标志物。新加坡国立大学 (NUS) 和新加坡科技研究局 (A*STAR) 的研究人员开发了一种新型传感器，可以持续实时地检测固态表皮生物标志物 (SEB)，这是一种新的健康指标。

该研究团队由新加坡国立大学健康创新与技术研究院、设计与工程学院 N.1 健康研究院和生物医学工程系的助理教授刘宇欣，以及新加坡科技研究局材料研究与工程研究院(A*STAR 的 IMRE)传感器与柔性电子系首席科学家兼负责人杨乐博士共同领导，他们的创新技术提供了一种非侵入性健康状况监测方法，即直接在皮肤上检测胆固醇和乳酸等生物标志物。

该团队的可穿戴、可拉伸、基于水凝胶的传感器克服了当前依赖血液、尿液和汗液等生物流体样本的方法的局限性。这使其成为可穿戴、连续和实时健康监测的有前途的替代方案，有助于早期发现心血管疾病和中风等疾病。

它还可以有效监测运动员的乳酸水平，这是疲劳和组织缺氧的指标，会影响运动员的表现。这一发展尤其适用于慢性病管理、全民筛查、远程患者监测和运动生理学等领域。

该团队的研究成果于 2024 年 6 月 12 日发表在《自然材料》杂志上。A*STAR 的高性能计算研究所和分子与细胞生物学研究所以及新加坡南洋理工大学也参与了这项研究。

图片来源：新加坡国立大学

通过创新克服现有挑战

监测生物标志物(存在于血液或其他体液中的化学物质，可以捕捉细胞或生物体在特定时刻发生的情况)传统上涉及分析血液、尿液和汗液等生物流体。虽然这些方法有效，但也面临挑战。

血液检测具有侵入性且不方便，尿液分析繁琐且缺乏实时性。虽然从汗液中检测生物标志物是非侵入性的，但受限于不活跃人群难以诱导出汗，以及使用诱导出汗药物会造成不适。所有这些都对疾病的早期诊断和治疗构成障碍。

SEB 提供了一种引人注目的替代方案。这些生物标记物包括胆固醇和乳酸，存在于皮肤最外层的角质层中，并且与心血管疾病和糖尿病等疾病有很强的相关性。然而，直接检测这些生物标记物一直很困难。例如，传统的固体电极缺乏必要的电荷传输途径，无法实现对 SEB 的电化学传感。

新加坡国立大学和新加坡科技研究局的研究团队通过其新颖的传感器设计克服了这一挑战。当该设备佩戴在皮肤上时，SEB 会溶解到离子导电水凝胶 (ICH) 层中，扩散通过水凝胶基质，并在 ICH 和电子导电水凝胶 (ECH) 层之间的连接处发生由酶催化的电化学反应。

然后，相关生理数据通过柔性印刷电路板无线传输到外部用户界面，提供持续监测功能。该传感器采用可扩展且经济高效的制造工艺(称为丝网印刷)生产。

“我们新颖的水凝胶传感器技术是实现皮肤上固态生物标志物无创检测的关键。溶解生物标志物的离子导电水凝胶层和电子导电水凝胶层促进电子传输。

“这种双层膜能够使生物标志物依次溶解、扩散和电化学反应。该传感器的另一个亮点是灵敏度高，即使生物标志物含量很低也能准确检测，”刘助理教授说道。

“这款可穿戴传感器是世界上第一个可以监测干燥或不出汗皮肤上的生物标志物的传感器。该传感器的新型双层水凝胶电极可以与我们皮肤上的生物标志物相互作用并对其进行检测，从而使它们成为一类新的健康指标。可拉伸的设计也通过适应我们皮肤的自然弹性来提高舒适度和准确性。

杨博士说：“这项创新可以改变我们监测健康和生活方式的方式，特别是对于那些需要持续监测健康的慢性病患者。”

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