新型皮肤贴片可用作多合一的健康监测器

这种贴片是一种薄薄的弹性聚合物片,可以贴合皮肤。它配备了一个血压传感器和两个化学传感器--一个是测量汗液中的乳酸(体力消耗的生物标志物)、咖啡因和酒精水平,另一个是测量间隙液中的葡萄糖水平。

  加利福尼亚大学圣地亚哥分校的工程师们开发出了一种柔软、有弹性的皮肤贴片,可以戴在脖子上持续跟踪血压和心率,同时测量佩戴者的葡萄糖以及乳酸、酒精或咖啡因水平。这是第一个同时监测心血管信号和人体多种生化水平的可穿戴设备。

  "这种类型的可穿戴设备将非常有助于有潜在医疗条件的人定期监测自己的健康状况,"加州大学圣地亚哥分校纳米工程博士生、该研究的共同第一作者陆寅说。"它还可以作为远程病人监测的重要工具,特别是在COVID-19大流行期间,当人们尽量减少亲自到诊所就诊时。"

  这样的设备可以使管理高血压和糖尿病的个人受益--这些人也是COVID-19重症的高危人群。它还可以用来检测败血症的发生,败血症的特点是血压突然下降,同时乳酸水平迅速上升。

  一个可以做到这一切的软皮肤贴片也将为重症监护室的患者提供一个方便的选择,包括新生儿重症监护室的婴儿,他们需要持续监测血压和其他生命体征。这些程序目前需要在患者动脉深处插入导管,并将患者拴在多个医院监视器上。

  "这里的新奇之处在于,我们将完全不同的传感器并将它们合并到一个像邮票一样小的小平台上,"加州大学圣地亚哥分校纳米工程教授、该研究的共同通讯作者Joseph Wang说。"我们可以用这一个可穿戴设备收集这么多信息,而且是以一种非侵入性的方式进行,不会造成不适或干扰日常活动。"

  新的贴片是加州大学圣地亚哥分校可穿戴传感器中心的两项开创性工作的产物,Wang担任该中心的主任。Wang的实验室一直在开发能够同时监测体内多种信号--化学、物理和电生理信号的可穿戴设备。而在加州大学圣地亚哥分校纳米工程教授徐胜的实验室里,研究人员一直在开发柔软、有弹性的电子皮肤贴片,可以监测身体深处的血压。通过联手,研究人员创造出了首个将化学传感(葡萄糖、乳酸、酒精和咖啡因)与血压监测相结合的柔性可拉伸穿戴设备。

  "每个传感器都提供了物理或化学变化的独立图像。将它们整合在一个可穿戴贴片中,让我们可以将这些不同的图片拼接在一起,从而更全面地了解我们身体里发生的事情。"徐说,他也是这项研究的共同作者。

  万能补丁

  这种贴片是一种薄薄的弹性聚合物片,可以贴合皮肤。它配备了一个血压传感器和两个化学传感器--一个是测量汗液中的乳酸(体力消耗的生物标志物)、咖啡因和酒精水平,另一个是测量间隙液中的葡萄糖水平。

  该贴片能够同时测量三个参数,每个传感器测量一个:血压、葡萄糖以及乳酸、酒精或咖啡因。"理论上,我们可以同时检测所有这些参数,但这需要不同的传感器设计,"Yin说,他也是Wang实验室的博士生。

  血压传感器位于贴片的中心附近。它由一组小型超声波传感器组成,这些传感器通过导电油墨焊接到贴片上。施加在传感器上的电压会使它们向人体发出超声波。当超声波从动脉上反弹时,传感器会检测到回波,并将信号转化为血压读数。

  化学传感器是用导电油墨在贴片上丝网印刷的两个电极。感知乳酸、咖啡因和酒精的电极印在贴片的右侧,它的工作原理是向皮肤释放一种叫皮洛卡平的药物,诱导出汗,检测汗液中的化学物质。另一个感应葡萄糖的电极印在左侧;它的工作原理是通过温和的电流通过皮肤释放间隙液,并测量该液体中的葡萄糖。

  研究人员对测量这些特殊的生物标志物很感兴趣,因为它们会影响血压。"我们选择了能给我们提供更准确、更可靠的血压测量的参数,"共同第一作者Juliane Sempionatto说,他是Wang实验室的纳米工程博士生。

  "比方说,你正在监测你的血压,你在白天看到峰值,认为有问题。但生物标志物的读数可以告诉你,这些峰值是由于摄入酒精还是咖啡因。她说:"这种传感器的组合可以为你提供这种类型的信息。

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  将贴片戴在脖子上可以提供最佳读数。资料来源:加州大学圣地亚哥分校。加州大学圣地亚哥分校

  在测试中,受试者在进行以下各种任务组合时将贴片戴在脖子上:骑固定自行车运动;吃高糖餐;喝酒精饮料;喝含咖啡因的饮料。来自贴片的测量结果与商业监测设备(如血压袖带、血乳酸计、血糖仪和呼吸式酒精检测仪)收集的数据非常吻合。佩戴者咖啡因水平的测量结果与实验室中加了咖啡因的汗液样本的测量结果相吻合。

  工程挑战

  制作贴片的最大挑战之一是消除传感器信号之间的干扰。为此,研究人员必须找出血压传感器和化学传感器之间的最佳间距。他们发现,一厘米的间距就能做到这一点,同时还能让设备尽可能小。

  研究人员还必须弄清楚如何将化学传感器与血压传感器进行物理屏蔽。后者通常配备了液体超声波凝胶,以便产生清晰的读数。但化学传感器也配备了自己的水凝胶,问题是,如果血压传感器的任何液体凝胶流出来,与其他凝胶接触,就会造成传感器之间的干扰。所以,研究人员改用固体超声凝胶,他们发现这种凝胶和液态版一样好用,但不会出现泄漏。

  "寻找合适的材料,优化整体布局,将不同的电子器件无缝集成在一起--这些挑战需要花费大量时间来克服,"共同第一作者林慕阳说,他是徐氏实验室的纳米工程博士生。"我们很幸运,我们的实验室和王教授的实验室之间有这种良好的合作。与他们一起合作完成这个项目是如此的有趣。"

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  目前贴片的原型需要用电缆连接到台式机和电源。资料来源:美国加州大学圣地亚哥分校。加州大学圣地亚哥分校

  下一步工作

  该团队已经在研究新版本的补丁,一个有更多传感器的补丁。"有机会监测与各种疾病相关的其他生物标志物。我们正在寻求为这个设备增加更多的临床价值,"Sempionatto说。

  正在进行的工作还包括缩小血压传感器的电子元件。目前,该传感器需要连接到电源和台式机来显示其读数。最终的目标是把这些都放在贴片上,让一切都变成无线的。并最终实现一个完全可穿戴的完整系统。

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