导     语

 

排汗不仅在体温调节中起着关键作用，而且在反映机体内部状态和对外界刺激的反应中也起着关键作用。最新的基于皮肤的可穿戴平台促进了汗液的监测和同步分析，提供了有价值的生理见解。

 

与传统的被动出汗不同，在各种活动和休息期间发生的动态正常出汗需要一种更可靠的收集方法来准确捕获其实时波动。本文介绍了一种创新的微流控贴片，该贴片采用分层超亲水性生物海绵，可显著提高动态汗液的捕获效率。无缝集成的生物海绵微通道展示了卓越的吸收能力，有效地捕获从皮肤表面渗出的非敏感汗液，减轻样品损失并最大限度地减少汗液挥发。此外，它结合了出汗率传感器和一套功能性电化学传感器，可以在各种活动、应激事件、高能量摄入和其他情况下不间断地监测和分析动态出汗。

 

1、研究背景

 

与血液和间质液相比，内分泌汗腺无处不在地分布在皮肤上。在接近或静止的体温调节期间，内分泌腺发出的习惯性汗液以极其缓慢的分泌速度发生，蒸发和潜在污染现象也给连续监测带来了巨大的挑战，因此持续的无感汗液监测和分析是关键的。自然中控制植物维管网内液体和重要营养物质输送的复杂机制带来了启发，这些有序的多孔骨架具有超亲水特性，可在几微秒内快速吸收和分散液体，用来弥合不间断的不显性汗液收集的差距。

 

2、研究概述

 

本研究采用了一种具有微纳米级纤维结构的互连分层生物聚合物基海绵来增强可穿戴贴片，用于快速采样天然汗液，特别是对于不敏感的类型，并最终实现目标生物标志物的连续监测和轻松测量分泌率。而柔性多孔基板已被广泛用于增强高性能电子产品的制造，例如电子皮肤、纳米发电机和植入式医疗基板。这种设计可以分为以下几个部分。

 

首先是表皮可穿戴贴片的设计。低模量生物相容性聚二甲基硅氧烷 （PDMS），其设计的几何特征定义了上部微流控层和承载下电极层。操纵标准的软光刻方法在微流体层上生成蚊香形状的几何特征，从而可以有效地收获≈2000纳升的汗液。微流体层还包含一个特定的圆形区域，直径为 2.5 毫米，厚度为 ≈100 μm，用作入口，与皮肤上的内分泌腺直接接触。电极电路无缝绑定到底部PDMS层和各种类型的电路上，用于集成功能化电化学传感器。专注于快速吸收不同量汗液的多功能生物海绵层是研究的关键组成部分。最终的紧凑型可穿戴贴片用医用级绷带密封，确保牢固地附着在受试者身体的任何部位，从汗液分泌量高的区域到活动量最小的区域，这可实现在不干扰受试者日常活动的情况下进行持续监测。

 

柔性表皮可穿戴贴片的组成（图片来自论文）

 

研究设计了一种超亲水的分层生物海绵，如图1c所示，其特征是对水具有异常强大的亲和力。这种创新设计旨在克服与收集和保留汗液相关的挑战，包括耗时的过程、污染风险、高流速、苛刻的体积要求和液压损失不足等问题。同时掺入了从真菌细胞壁中提取的改良羧甲基纤维样脱乙酰化菌丝体几丁质（CFDM-Chitin），以增强原始生物海绵的性能，并作为结构增强复合材料来强化骨架网络。

 

其次，研究者进行了反重力泵送和自发积液设计。他们合成了一种受木质部结构启发的仿生生物海绵。这种生物海绵拥有更坚固的骨架和分层结构，当超亲水表面的下部与液面接触时，毛细管压力和液体粘附的结合促使液体渗入超亲水结构，扩散到整个结构中。这会产生向上的液体攀升，产生“反重力”自泵现象。这个过程允许液体在重力作用下上升相当长的距离（图2a VIII）。在这种开放结构中，液体沿的毛细血管的上升分不同阶段展开：快速填充（图2a I-IV），润湿攀升（图2a IV-VI）和最终平衡（图2a VI-VIII）。在初始阶段，液体的表面张力导致向上毛细管力，压倒了其他促成因素，从而主导了上升。当液体达到一定高度时，重力的影响逐渐变得更加明显，导致液体泵送过程减速。在这一点上，沿垂直壁的粘附力起着关键作用，由于超亲水界面固有的润湿性，促进液体泵送的最后阶段，最终达到伪平衡阶段。

 

人造长条生物海绵（图片来自论文）

 

最后，研究者设计了微流控贴片的体温调节汗液收集装置。根据 Poiseuille 的流动理论，在特定的几何形状中，更长的流路需要更大的流体阻力，可能会阻碍汗液持续进入微通道。为了克服这些挑战并在受限的尺寸内实现快速、不间断的汗液收集，在微通道中引入了超亲水生物海绵（图3b）。这种创新方法有效地解决了与液压阻力和损耗相关的挑战，提高了系统的整体效率。

 

微流控贴片的体温调节汗液收集装置（图片来自论文）

 

3、研究意义

 

这种新型可穿戴贴片具有生物海绵微流控装置，专门设计用于增强表皮液采样，即使是微量的。其卓越的超亲水特性可实现近乎实时的汗液速率采样。这种能力不仅善于捕捉由外部刺激引起的敏感汗液;它还善于捕捉内分泌腺分泌的微小不显性汗液，这是以前研究中很少探索的领域。初步身体测试探索了现实生活中出汗场景与其对代谢反应和外部刺激的协同或抵消作用之间的潜在相关性。这一进展将加深对分析物分泌机制的理解，并为可靠测量浓度的解释提供指导。此外，物理传感器的结合增强了贴片的功能，可以同时监测皮肤和汗液温度以及汗液成分分析。该集成系统还适合与人工智能驱动的信号处理相结合，使可穿戴贴片能够无缝适应各种个性化健康监测要求。因此，它为全面和量身定制的健康评估提供了新的机会，可用于满足各种个人日常健康监测需求，标志着个性化健康技术向前迈出了重要一步。

 

未来计划通过在可拉伸基板上集成可扩展的柔性电子元件和量身定制的生物标志物传感器组合来发展贴片。

 

文章来源：Hanlin Ding, Hao Yang, et al. "Nature-Inspired Superhydrophilic Biosponge as Structural Beneficial Platform for Sweating Analysis Patch." Advanced Science (2024): 24001947.

 

来源：BME康复工程分会

关键词： 可穿戴贴片 生物标志物