用于汗液實時監測的全彈性可穿戴系統

可穿戴電子設備已在體育和醫療保健領域得到廣泛采用，用于監測心率、血氧水平和體溫等生理指標。然而，由于傳感器性能和系統設計的限制，可穿戴設備在健康應用中仍然受到限制。雖然液體活檢技術已經在健康監測、早期疾病診斷、預后檢測和藥物代謝研究中得到廣泛應用，但無創實時監測對于日常生理指標跟蹤、慢性病管理和運動表現監測等研究方向仍然至關重要。

因此，結合液體活檢技術的可穿戴設備有望在人體功能實時監測領域得到廣泛應用。汗液作為最容易獲得的體液，是非侵入性生物標志物分析的絕佳介質。汗液中的鉀離子和鈉離子（K?和Na?）是人類代謝狀態的重要標志物，而乳酸是生理應激的重要指標，反映了有氧代謝和無氧代謝之間的轉變。此外，汗液葡萄糖水平與血糖水平呈現高度相關關系，從而實現無創血糖檢測。因此，汗液非常適合在日常生活甚至運動中對人體功能進行無創實時監測。

汗液中K?、Na?、乳酸和葡萄糖的檢測在各個領域都有廣泛的應用，包括監測糖尿病和腎病等慢性疾病的病程和治療，評估運動表現和體力消耗，以及在藥物開發和臨床試驗中進行藥代動力學評估。此外，汗液分析對監測飛行員和宇航員等處于關鍵位置的個人的日常生理指標具有重要價值。在這樣的應用場景中，實時、長期、可靠的汗液監測至關重要，這導致可穿戴形式在汗液檢測中占據主導地位。然而，持續的實時汗液監測不僅需要精確和實時的傳感器，還需要具有人體工程學設計的可穿戴設備，以確保長期穿著舒適。因此，實現全系統彈性是實現這一目標的關鍵因素。

現有的研究通常側重于傳感設備或采集組件的部分彈性，忽略了在整個系統中實現彈性和拉伸可靠性的挑戰。大多數智能穿戴設備采用柔性印刷電路板（FPCB）作為芯片的互連電路。然而，FPCB的缺點是它只能彎曲，不能拉伸。此外，FPCB表現出高剛性，并且在不規則的拉伸或彎曲力下容易損壞?？朔@些限制并實現系統彈性和拉伸可靠性是可穿戴汗液檢測領域的關鍵研究目標。此外，讓系統里的汗水保持新鮮，也是現場高精度實時監控的關鍵。以前的可穿戴汗液檢測系統通常利用親水和多孔材料來收集汗液。

然而，吸水材料通常難以有效排出收集的汗液，導致檢測精度降低，難以長期可持續使用。盡管最近的研究已經探索了使用流體動力學優化的通道結構來促進汗液的收集和排出。這些努力略微改善了設備內的汗液流速。然而，提高汗液收集、運輸和排出的效率以持續保持傳感器處汗液的新鮮度仍然具有挑戰性。

為了解決以上挑戰，近期，來自上海交通大學的研究人員在Small期刊上發表了題為“A Fully Elastic Wearable Electrochemical Sweat Detection System ofTree-Bionic Microfluidic Structure for Real-Time Monitoring”的論文，提出了一種名為“Sweatree”的全彈性可穿戴電化學汗液檢測系統。

“Sweatree”系統結構及應用

該系統集成了汗液采集微流控芯片、多參數電化學傳感器、微加熱器和汗液檢測彈性電路板系統。微流控芯片獨特的樹狀仿生結構顯著提高了新鮮汗液的收集和排出效率，實現了電化學傳感器的實時檢測。汗液多參數電化學傳感器可對K?、Na?、乳酸和葡萄糖進行高精度和高靈敏度的測量。此外，該電子系統構建在一塊彈性電路板上，可以與褶皺的皮膚完美貼合，確保了穿著舒適性，并實現了多通道數據采樣、處理和無線傳輸。

圖2 “Sweatree”系統中微流控芯片的結構、工作原理和性能測試

圖3 超薄多參數彈性電化學傳感器的圖像、組件、電極修飾、掃描電子顯微鏡（SEM）表征和性能測試

圖4 超薄微型加熱器的圖像、結構和性能測試

圖5汗液檢測彈性電路板系統的結構圖、測試圖像以及疲勞和性能測試

圖6 “Sweatree”系統的模擬測試和人體運動監測

總而言之，這種最先進的系統代表了彈性可穿戴汗液檢測領域的重大進步，并具有將其功能擴展到其他汗液標記物或各種可穿戴應用的檢測的潛力。

審核編輯：劉清