2022-10-27-17:10

电化学应用||双功能全集成可穿戴传感器,应用于汗液和伤口渗出液中多种标记物的监测

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研究背景

与传统的有创血液检测相比,无创体液分析具有无创的特点,可用潜在于个体居家自助健康监测。表皮汗液和伤口渗出液是常见的无创体液。汗液中的生物标记物可以反映个体的健康状况,伤口渗出液中的标记物可以反映伤口的感染程度。全集成可穿戴电子设备兼具连续原位监测和无需外部设备特点,是现代可穿戴设备设计和构建的最理想和最终目标之一。目前报道的全集成可穿戴传感器仅仅围绕一种体液监测,很难同时适用于不同体液,这也限制了全集成可穿戴传感器的适用性。

创新点

东北师范大学周明和薄祥洁团队(https://zhou.team/)设计了首个原位、动态分析汗液或伤口渗出液中多种生物标记物的双功能全集成可穿戴传感器,克服了利用一个全集成可穿戴传感器对两种表皮无创体液分析的工程挑战。该全集成可穿戴传感器将用于体液采集的微流体模块,用于汗液和伤口渗出液检测的传感模块和用于信号处理的柔性电子模块无缝集成,实现了动态、原位监测汗液或伤口渗出液中的Na+K+pH值和尿酸(UA)。通过高嘌呤饮食实验评估该传感器在无创高尿酸症管理中的应用,并通过对照药物治疗评估其在伤口感染监测中的应用。通过监测Na+K+浓度实现对汗液中UA浓度的校正,大幅度提高可穿戴传感器对痛风疾病监测的准确性。同时该可穿戴传感器还可以用于伤口渗出液中标记物的监测,通过pH值的校正,大幅度提高对伤口感染程度的准确判断。

文章解析

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1:全集成可穿戴传感器的设计与应用。(A)可用于实时分析汗液与伤口渗出液中Na+K+pHUA双功能可穿戴传感器示意图。(B)微流体和传感模块结构与功能示意图。(C)微流体和传感模块示意图。(D)柔性微流体和传感模块实物图。(EUA传感器电极材料SEMTEM图。(F)用于信号转导、调节、处理和无线传输的电子模块系统级框图。(G)柔性电子模块实物图。(HNa+K+pH电化学OCP检测方法与UA电化学DPV检测方法。

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2:传感模块示意图与分析性能表征。(AUANa+K+pH传感器结构示意图。(BNa+、(CK+与(DpHOCP曲线。(E)传感模块分析结果和金标准分析方法比较。(FUA传感器电极材料有序介孔碳SEMTEM图。(GUA传感器电极材料有序介孔碳氮气吸附曲线及孔径分布图。(H)不同电极修饰材料UA传感器性能比较。(I)不同UA浓度下,UA传感器的DPV曲线。(J)在含有50 μM UA10 mM K+ABS溶液中,UA传感器信号与Na+浓度相关性(左);在含有50 μM UA50 mM Na+ABS溶液中,UA传感器信号与K+浓度相关性(右)。(LUA传感器信号与汗液Na+K+浓度与汗液UA浓度相关性。(M)汗液Na+K+UA浓度校准与HPLC比较(左)或未经校准(右)的UA传感器与HPLC比较。(N-OUA传感器信号与pH值相关性。(P)伤口分泌液UA信号与伤口pHUA浓度相关性。(M)伤口分泌液pHUA浓度校准与HPLC比较(左)或未经校准(右)的UA传感器与HPLC比较。

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3:微流体模块设计与表征。(A)微流体通道示意图。(B)全集成的可穿戴传感器实物图。(C)溶质达到不同更新程度下所需时间的COMSOL模拟。(D)液体更新速度与汗液流速依赖性。(E)微流体腔室表面溶质浓度随时间分布的COMSOL模拟;(FOn-body过程中,不同时间微流体模块内汗液扩散行为。

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4:可穿戴传感器对标记物的动态监测及其在痛风疾病管理中应用。(A)可穿戴汗液传感器应用示意图及不同部位可穿戴传感器示意图。(B-E)原位实时监测汗液中Na+K+pHUA的浓度。(F)高嘌呤饮食对痛风等疾病的影响示意图。(G)不同皮肤处汗液UA浓度比较。(H)不同高嘌呤食物食用量条件下汗液UA浓度比较。(I)空腹与高嘌呤食物条件下汗液UA浓度比较。(J)根据汗液-血清相关性预测血清中UA浓度及可穿戴汗液传感器在痛风疾病管理中应用。

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5:可穿戴传感器在伤口感染程度监测中应用。(A)可穿戴传感器在伤口感染程度监测中应用示意图。(B)可穿戴传感器在老鼠皮肤伤口监测中应用。(C) 治疗与未治疗组伤口愈合比较。(D) 第六天治疗与未治疗老鼠伤口H&E 切片图。(E) 不同周期内治疗与未治疗组伤口分泌液中Na+K+pHUA浓度变化曲线图。(F)伤口渗透液中Na+K+UApH与伤口感染程度相关性。

作者设计了首个无缝集成式双功能全集成可穿戴传感器,通过无线、动态和原位跟踪汗液或伤口渗出液Na+K+pHUA实现无创高尿酸血症或伤口管理。该全集成可穿戴传感器具有以下有特点:(1)与单一模块器件相比较,多模块集成式可穿戴传感器具有较强的实用性及功能性;(2)该可穿戴传感器可适用于汗液与伤口渗出液中生物标记物监测;(3)同时监测体液中Na+K+pHUA更系统准确对人体健康程度活伤口感染程度进行预测;(4)用于汗液采集、存储的微流体模块可以实现高效的汗液采集,为传感模块提供有效的原位动态分析支持;(5)有序介孔碳的有序结构、大的比表面积可以提高UA传感器的灵敏度;(6)通过电解质Na+K+pH校正,大大提高了对汗液中UA准确监测及伤口感染程度精准预测,避免出现健康状况误诊情况。但是由于伤口分泌液粘度较大且分泌量少,无法实现连续监测伤口感染程度。在今后工作中,可以设计一些具有仿生性质的微流体模块,可以更好地收集伤口分泌液,实现伤口感染程度的连续监测。此外,在今后工作中,可以考虑引入机器学习等方法,实现健康状况的智能判断。

原文链接:10.1002/smll.202205061

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本文中进行体外电化学测试为荷兰PalmSens,型号:PalmSens4便携式电化学分析仪,由雷迪美特中国有限公司提供。

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