NAT BIOMED ENG丨一种同时监测血液动力学和代谢生物标志物的可穿戴式传感器

作者：高倩倩

可穿戴式传感器与远程医疗，医疗物联网和精准医学等概念交织在一起，具有主动提供和远程监控生理参数的功能。穿戴式传感器可以连续地产生数据，而不会造成任何不适或中断日常活动，从而提高穿用者的自我监测顺应性和改善病人护理的质量。目前报道的可穿戴式传感器只能监测一种生理参数，如心电图，血压，或葡萄糖等。最近科学家们致力于将物理和化学传感器集成到单个可穿戴设备中，如将心电图与乳酸，或葡萄糖传感器结合以监测运动员的心血管功能、新陈代谢、电解质平衡或体温等。但目前尚未有利用集成的可穿戴式传感器研究心血管参数与生物标志物水平相关性的报道。

近日，来自美国加利福尼亚大学圣地亚哥分校纳米工程系的Joseph Wang教授发表论文《An epidermal patch for the simultaneous monitoring of haemodynamic and metabolic biomarkers》，报道了一种保形，可拉伸且集成的可穿戴生物传感器，该传感器可以通过超声转换器监测血压和心率，并通过电化学传感器测量多种生物标志物水平，实现动态，全面的自我健康状态监测。

图1. 可拉伸集成式BP化学感应贴片的设计和机理

研究人员使用超声换能器检测血压和心率，并使用电化学传感器测量生物标志物的水平。其中SEBS用作可拉伸的保形基材，以支撑电极和用定制油墨的连接。可拉伸的基材和油墨可实现可穿戴设备所需的高度贴合性，柔韧性和可拉伸性。BP传感器由八个压电换能器组成，该八个压电换能器与颈动脉对齐，应用于颈部，以获得最佳超声信号。在感测期间，压电换能器被电脉冲激活，将超声波束传输到动脉，并分析了来自动脉前壁和后壁的回声的传播时间，以测量动脉的扩张和收缩。通过IP阳极处的无创汗水刺激（通过经皮毛果芸香碱输送）和IP阴极处的ISF提取，实现了化学感应。乳酸、酒精和咖啡因仅在汗液中监测而葡萄糖仅在ISF中监测。计时安培法（CA）用于电化学检测葡萄糖氧化酶，乳酸氧化酶和醇氧化酶酶促反应的过氧化氢产物，而示差脉冲伏安法（DPV）用于咖啡因的检测。随着设备的拉伸周期的进展，该电化学传感器没有显示出明显的电流变化。且该设备转移到身体后，表现出良好的机械弹性。

 

图2. 多模式可穿戴传感器的特性

同时，作者对接受各种活动和刺激（运动以及酒精，食物和咖啡因的摄入）的几位人类志愿者进行了人体试验。实现对动态心血管参数和生物标志物浓度的实时监控，可以用于评估日常活动对个体生理状况的影响。

图3. 混合声电化学传感器的人体评估

该设备可以用于监测心血管参数以及暴露于多种刺激的个体的多种生物标志物水平。作者以现实生活中常经历的活动如食物摄入同时运动为例，发现该传感器能够捕获由于同时进行食物和运动刺激而导致的复杂过程，包括消化食物以产生葡萄糖作为能量储存器，糖酵解反应消耗葡萄糖和氧气释放能量，增加的BP和HR补偿运动中低氧状态下的氧气消耗和乳酸生成。

 

图4. 多刺激条件下人体评估

最后作者还证明了传感器在身体活动过程中连续捕获动态生物标志物和BP波动的能力。

 

图5. 连续的人体评估

总之，作者介绍了一种保形，可拉伸且集成的可穿戴式传感器，可以监测血压，心率以及葡萄糖，乳酸，咖啡因和酒精的水平。作者创新性的通过溶剂焊接工艺将刚性和柔性传感器集成到具有高机械弹性且没有传感器串扰的单个可穿戴共形传感器中。这种完全集成的多路可穿戴健康监控设备，可洞悉个人在预防和管理慢性病中的健康和生理状况。该设备代表了迈向多模式可穿戴传感器的第一步，并朝着远程医疗转型迈出了第一步。为设计能够进行化学-电生理-物理混合监测的下一代可穿戴式传感器奠定了基础。

Juliane R Sempionatto, Muyang Lin , Lu Yin ,et al.An epidermal patch for the simultaneous monitoring of haemodynamic and metabolic biomarkers.Nat Biomed Eng. 2021 Feb 15. doi: 10.1038/s41551-021-00685-1.