來源：鈦媒體

可穿戴設(shè)備以其對(duì)人體生理信息動(dòng)態(tài)、連續(xù)及實(shí)時(shí)的監(jiān)控對(duì)我們的日常生活產(chǎn)生了廣泛影響，在大健康行業(yè)得到了廣泛的關(guān)注。不過，目前已經(jīng)商業(yè)化的可穿戴設(shè)備主要實(shí)現(xiàn)心電圖（ECG）和光電容積圖（PPG）測(cè)量心率，分別屬于電化學(xué)和光學(xué)生物傳感器類型。

除了這兩類傳感器，可穿戴設(shè)備其實(shí)還有一類更具價(jià)值的生物傳感器。生物傳感器通過無(wú)創(chuàng)測(cè)量體液中的生化標(biāo)志物來反映生理狀態(tài)。這些生物標(biāo)志物主要包括汗液、淚液、唾液和間質(zhì)液，以及體液中的代謝物、細(xì)菌及激素等。

可穿戴生物傳感器在醫(yī)療應(yīng)用上前途無(wú)量，但在大規(guī)模商業(yè)化之前，還有很多問題需要解決。美國(guó)Nature雜志對(duì)該行業(yè)的最新進(jìn)展進(jìn)行了詳細(xì)的介紹，動(dòng)脈網(wǎng)對(duì)報(bào)告進(jìn)行了編譯，借此讓大家對(duì)可穿戴生物傳感器的現(xiàn)狀及發(fā)展有所了解。

可穿戴式生物傳感器前途無(wú)量

根據(jù)來自Grand View Research的市場(chǎng)報(bào)告，2016年，全球可穿戴設(shè)備市場(chǎng)規(guī)模約為1.5億美元；預(yù)計(jì)其將在2025年達(dá)到28.6億美元。新增市場(chǎng)規(guī)模中的很大一部分預(yù)計(jì)將由可穿戴生物傳感器構(gòu)成。

雖然可穿戴無(wú)創(chuàng)生物傳感平臺(tái)的商業(yè)化速度慢于預(yù)期一定程度上降低了市場(chǎng)預(yù)期。但隨著該領(lǐng)域在技術(shù)上的突破，很多人仍然看好可穿戴生物傳感器的市場(chǎng)前景。

目前，可穿戴設(shè)備主要采用物理傳感器，用于監(jiān)測(cè)行動(dòng)能力和生命體征，如步數(shù)、熱量消耗或心率。隨著研究人員從跟蹤體育鍛煉活動(dòng)擴(kuò)展到關(guān)注解決醫(yī)療保健應(yīng)用，比如糖尿病管理或者老年人的遠(yuǎn)程監(jiān)控，可穿戴設(shè)備需要進(jìn)行自我革新。

研究人員投入了大量努力來開發(fā)可穿戴生物傳感器。通過將生物識(shí)別元件集成到傳感器上，可穿戴生物傳感器迅速?gòu)膱?bào)告中的概念驗(yàn)證轉(zhuǎn)換為實(shí)物，體現(xiàn)了該領(lǐng)域巨大的發(fā)展?jié)摿Α?/p>

基于糖尿病管理的巨大市場(chǎng)前景，微創(chuàng)血糖監(jiān)測(cè)設(shè)備是可穿戴生物傳感器中最受人關(guān)注的方向之一，也是最接近商業(yè)化的方向之一。

我們先來看看典型生物傳感器的構(gòu)成，它包含兩個(gè)基本功能單元：負(fù)責(zé)選擇性識(shí)別生物標(biāo)志物（酶、抗體或DNA）的生物受體，以及負(fù)責(zé)將生物識(shí)別過程轉(zhuǎn)換為有用信號(hào)的物理或化學(xué)傳感器。

最早的生物傳感器可以追溯到上世紀(jì)五六十年代。隨著近年來無(wú)創(chuàng)取樣及監(jiān)測(cè)技術(shù)逐漸成熟，利用無(wú)創(chuàng)可穿戴生物傳感設(shè)備替代常規(guī)的血液檢測(cè)越來越接近現(xiàn)實(shí)。這種設(shè)備具有高度特異性、快速便攜以及低成本低功耗等優(yōu)點(diǎn)。

生物傳感器平臺(tái)以無(wú)創(chuàng)的方式對(duì)包括汗水、眼淚、唾液或間質(zhì)液（ISF）在內(nèi)的體液進(jìn)行取樣，并對(duì)其所含的生物標(biāo)志物進(jìn)行化學(xué)分析。無(wú)創(chuàng)的方式意味著取樣過程可以隨時(shí)方便地進(jìn)行，且不用擔(dān)心有創(chuàng)取樣可能導(dǎo)致的傷害或感染。這種方式已經(jīng)被廣泛應(yīng)用于各種應(yīng)用場(chǎng)景。

可穿戴生物傳感器依賴于高度特異的生物受體。這些生物受體能夠在生理?xiàng)l件下識(shí)別復(fù)雜樣品中的目標(biāo)生物標(biāo)記物及相關(guān)濃度。這一技術(shù)的推廣也要求對(duì)體液的生化組成有深入的了解，如汗液或眼淚的生化組成及其與血液化學(xué)的關(guān)系。另外，為了實(shí)現(xiàn)在不會(huì)造成佩戴者不適的前提下無(wú)創(chuàng)采樣，生物傳感器還需要使用先進(jìn)的材料和設(shè)計(jì)，從而提供必要的靈活性和延展性。

目前，可穿戴生物傳感器主要分為三類，分別是表皮可穿戴生物傳感器、眼部可穿戴生物傳感器和口腔可穿戴生物傳感器。

可穿戴設(shè)備以其對(duì)人體生理信息動(dòng)態(tài)、連續(xù)及實(shí)時(shí)的監(jiān)控對(duì)我們的日常生活產(chǎn)生了廣泛影響，在大健康行業(yè)得到了廣泛的關(guān)注。不過，目前已經(jīng)商業(yè)化的可穿戴設(shè)備主要實(shí)現(xiàn)心電圖（ECG）和光電容積圖（PPG）測(cè)量心率，分別屬于電化學(xué)和光學(xué)生物傳感器類型。

除了這兩類傳感器，可穿戴設(shè)備其實(shí)還有一類更具價(jià)值的生物傳感器。生物傳感器通過無(wú)創(chuàng)測(cè)量體液中的生化標(biāo)志物來反映生理狀態(tài)。這些生物標(biāo)志物主要包括汗液、淚液、唾液和間質(zhì)液，以及體液中的代謝物、細(xì)菌及激素等。

可穿戴生物傳感器在醫(yī)療應(yīng)用上前途無(wú)量，但在大規(guī)模商業(yè)化之前，還有很多問題需要解決。美國(guó)Nature雜志對(duì)該行業(yè)的最新進(jìn)展進(jìn)行了詳細(xì)的介紹，動(dòng)脈網(wǎng)對(duì)報(bào)告進(jìn)行了編譯，借此讓大家對(duì)可穿戴生物傳感器的現(xiàn)狀及發(fā)展有所了解。

可穿戴式生物傳感器前途無(wú)量

根據(jù)來自Grand View Research的市場(chǎng)報(bào)告，2016年，全球可穿戴設(shè)備市場(chǎng)規(guī)模約為1.5億美元；預(yù)計(jì)其將在2025年達(dá)到28.6億美元。新增市場(chǎng)規(guī)模中的很大一部分預(yù)計(jì)將由可穿戴生物傳感器構(gòu)成。

雖然可穿戴無(wú)創(chuàng)生物傳感平臺(tái)的商業(yè)化速度慢于預(yù)期一定程度上降低了市場(chǎng)預(yù)期。但隨著該領(lǐng)域在技術(shù)上的突破，很多人仍然看好可穿戴生物傳感器的市場(chǎng)前景。

目前，可穿戴設(shè)備主要采用物理傳感器，用于監(jiān)測(cè)行動(dòng)能力和生命體征，如步數(shù)、熱量消耗或心率。隨著研究人員從跟蹤體育鍛煉活動(dòng)擴(kuò)展到關(guān)注解決醫(yī)療保健應(yīng)用，比如糖尿病管理或者老年人的遠(yuǎn)程監(jiān)控，可穿戴設(shè)備需要進(jìn)行自我革新。

研究人員投入了大量努力來開發(fā)可穿戴生物傳感器。通過將生物識(shí)別元件集成到傳感器上，可穿戴生物傳感器迅速?gòu)膱?bào)告中的概念驗(yàn)證轉(zhuǎn)換為實(shí)物，體現(xiàn)了該領(lǐng)域巨大的發(fā)展?jié)摿Α?/p>

基于糖尿病管理的巨大市場(chǎng)前景，微創(chuàng)血糖監(jiān)測(cè)設(shè)備是可穿戴生物傳感器中最受人關(guān)注的方向之一，也是最接近商業(yè)化的方向之一。

我們先來看看典型生物傳感器的構(gòu)成，它包含兩個(gè)基本功能單元：負(fù)責(zé)選擇性識(shí)別生物標(biāo)志物（酶、抗體或DNA）的生物受體，以及負(fù)責(zé)將生物識(shí)別過程轉(zhuǎn)換為有用信號(hào)的物理或化學(xué)傳感器。

最早的生物傳感器可以追溯到上世紀(jì)五六十年代。隨著近年來無(wú)創(chuàng)取樣及監(jiān)測(cè)技術(shù)逐漸成熟，利用無(wú)創(chuàng)可穿戴生物傳感設(shè)備替代常規(guī)的血液檢測(cè)越來越接近現(xiàn)實(shí)。這種設(shè)備具有高度特異性、快速便攜以及低成本低功耗等優(yōu)點(diǎn)。

生物傳感器平臺(tái)以無(wú)創(chuàng)的方式對(duì)包括汗水、眼淚、唾液或間質(zhì)液（ISF）在內(nèi)的體液進(jìn)行取樣，并對(duì)其所含的生物標(biāo)志物進(jìn)行化學(xué)分析。無(wú)創(chuàng)的方式意味著取樣過程可以隨時(shí)方便地進(jìn)行，且不用擔(dān)心有創(chuàng)取樣可能導(dǎo)致的傷害或感染。這種方式已經(jīng)被廣泛應(yīng)用于各種應(yīng)用場(chǎng)景。

可穿戴生物傳感器依賴于高度特異的生物受體。這些生物受體能夠在生理?xiàng)l件下識(shí)別復(fù)雜樣品中的目標(biāo)生物標(biāo)記物及相關(guān)濃度。這一技術(shù)的推廣也要求對(duì)體液的生化組成有深入的了解，如汗液或眼淚的生化組成及其與血液化學(xué)的關(guān)系。另外，為了實(shí)現(xiàn)在不會(huì)造成佩戴者不適的前提下無(wú)創(chuàng)采樣，生物傳感器還需要使用先進(jìn)的材料和設(shè)計(jì)，從而提供必要的靈活性和延展性。

目前，可穿戴生物傳感器主要分為三類，分別是表皮可穿戴生物傳感器、眼部可穿戴生物傳感器和口腔可穿戴生物傳感器。

表皮可穿戴生物傳感器

人類身體的絕大部分都為皮膚所覆蓋。因此，在各種穿戴式生物傳感器中，通過皮膚接觸的表皮可穿戴生物傳感器最受人關(guān)注。

表皮可穿戴生物傳感器可以在皮膚表面對(duì)汗液或間質(zhì)液采樣，并對(duì)其中的生物標(biāo)志物進(jìn)行實(shí)時(shí)分析或連續(xù)監(jiān)控。這類傳感器通常依賴于生物受體以生物催化和離子識(shí)別標(biāo)志物，并以光學(xué)、電化學(xué)或機(jī)械等不同的傳導(dǎo)模式相結(jié)合。目前，電化學(xué)和色差是兩種主要的傳導(dǎo)模式。

通過將傳感器直接與皮膚貼合，表皮可穿戴設(shè)備已經(jīng)成為現(xiàn)實(shí)。目前，常見的傳感器集成方式包括電子皮膚、臨時(shí)打印的紋身、腕帶、貼片或者直接嵌入紡織品等幾種方式。這些集成方式可以確保傳感器與皮膚緊密接觸，并能在身體運(yùn)動(dòng)時(shí)承受機(jī)械壓力。

表皮體液（汗液及間質(zhì)液）的分泌和組成

汗腺在人體皮膚表面廣泛存在——每平方厘米的皮膚表面平均有超過100個(gè)汗腺。因此，汗液是最容易獲得用于化學(xué)傳感應(yīng)用的體液。當(dāng)然，汗液必須在皮膚表面才能被取樣分析。我們可以通過運(yùn)動(dòng)、加熱、壓力或離子刺激等方式來產(chǎn)生汗液。

一般來說，汗液中含有代謝物（乳酸和葡萄糖等）、電解質(zhì)、微量元素以及少量大分子成分（蛋白質(zhì)、核酸、神經(jīng)肽或細(xì)胞因子）。這些生物標(biāo)記物可以用于現(xiàn)場(chǎng)無(wú)創(chuàng)檢測(cè)生理健康狀態(tài)及疾病診斷和治療。

盡管如此，目前還需要更多研究來驗(yàn)證汗液作為生物診斷液體的臨床價(jià)值。原因在于汗液中的生物標(biāo)志物是從周圍的毛細(xì)血管輸送到汗液中，也可以在汗液導(dǎo)管內(nèi)產(chǎn)生，很難與同期血-藥濃度進(jìn)行可靠關(guān)聯(lián)。

汗液中標(biāo)志物濃度的變化可以通過多種方式測(cè)量，盡管如此，標(biāo)志物的濃度還是會(huì)受到出汗率和標(biāo)志物分配率之間關(guān)系的影響。因此，對(duì)汗液化學(xué)及傳輸機(jī)制的深入理解，以及汗液取樣及檢測(cè)技術(shù)的進(jìn)步能夠加快基于汗液的監(jiān)測(cè)技術(shù)發(fā)展。

除了汗液，表皮生物傳感器也可對(duì)間質(zhì)液中標(biāo)志物的濃度進(jìn)行針對(duì)性的檢測(cè)。人體皮膚細(xì)胞被間質(zhì)液包圍，并直接從毛細(xì)血管內(nèi)皮獲取營(yíng)養(yǎng)。這使得間質(zhì)液中標(biāo)志物濃度與血液標(biāo)志物濃度之間有可靠的關(guān)聯(lián)，比如電解質(zhì)、代謝產(chǎn)物和蛋白質(zhì)。

為了實(shí)現(xiàn)對(duì)間質(zhì)液的無(wú)創(chuàng)取樣，需要引入反相離子電滲或超聲導(dǎo)入技術(shù)。不過，與汗液的情況類似，取樣效率和皮膚表面的污染會(huì)影響其準(zhǔn)確性。為了解決這些問題，先進(jìn)的取樣方法和對(duì)監(jiān)測(cè)標(biāo)志物的提純必不可少。

基于人體運(yùn)動(dòng)獲取汗液的表皮生物傳感器

表皮可穿戴生物傳感器的早期進(jìn)展集中在對(duì)單一標(biāo)志物進(jìn)行分析。臨時(shí)紋身生物傳感器裝備了絲網(wǎng)打印的柔性電路，可與皮膚進(jìn)行長(zhǎng)時(shí)間的直接接觸，是一種很有吸引力的生物傳感平臺(tái)。

2013年，加州大學(xué)圣地亞哥分校納米工程系的團(tuán)隊(duì)通過表皮傳感器對(duì)人體運(yùn)動(dòng)過程中汗液乳酸水平進(jìn)行了實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)的監(jiān)測(cè)。這是據(jù)我們所知第一次利用表皮傳感器進(jìn)行此類研究。

在實(shí)驗(yàn)過程中，受試者被要求佩戴打印出來的臨時(shí)紋身生物傳感器進(jìn)行運(yùn)動(dòng)。通過乳酸氧化酶測(cè)算運(yùn)動(dòng)時(shí)汗液中的乳酸水平。研究表明，運(yùn)動(dòng)強(qiáng)度越大，汗液乳酸確實(shí)越高。

盡管乳酸水平與同期的血壓并沒有直接聯(lián)系，它的確可以反映長(zhǎng)時(shí)間的身體運(yùn)動(dòng)強(qiáng)度。因此，這種方式可以被用于監(jiān)測(cè)運(yùn)動(dòng)效率，而不用再進(jìn)行血液取樣。

加州大學(xué)伯克利分校的研究團(tuán)隊(duì)則在開發(fā)完全集成的無(wú)創(chuàng)貼片可穿戴傳感器陣列上取得了進(jìn)展。這種多路復(fù)用生物傳感器集成了多傳感器陣列，可同時(shí)對(duì)汗液代謝物（葡萄糖和乳酸）、汗液電解質(zhì)及皮膚溫度進(jìn)行多路檢測(cè)。

通過將柔性可拼接傳感器與共形電路板相結(jié)合，這一系統(tǒng)可對(duì)人體長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)動(dòng)的生理狀態(tài)進(jìn)行準(zhǔn)確評(píng)估。這一開創(chuàng)性工作在信號(hào)傳導(dǎo)、調(diào)節(jié)、數(shù)據(jù)處理、無(wú)線傳輸、系統(tǒng)集成、現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)處理和通信等方面實(shí)現(xiàn)了重大進(jìn)步，使得可穿戴生物傳感器向?qū)嵱没~出了一大步。

我國(guó)在這一領(lǐng)域也有所建樹。復(fù)旦大學(xué)高分子科學(xué)系暨聚合物分子工程國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室和先進(jìn)材料實(shí)驗(yàn)室聯(lián)合展示了多標(biāo)志物電化學(xué)傳感技術(shù)。通過將生物識(shí)別材料涂覆在碳納米管纖維上形成同軸結(jié)構(gòu)，團(tuán)隊(duì)制成了對(duì)葡萄糖、鈉離子、鉀離子、鈣離子和液體酸堿度敏感的纖維，在重復(fù)形變的前提下保持了良好的實(shí)時(shí)檢測(cè)性能。

可靠的多標(biāo)志物傳感技術(shù)還可以提供出汗率的測(cè)量，用于校準(zhǔn)標(biāo)志物信號(hào)從而提高生理相關(guān)性，對(duì)于提高可穿戴設(shè)備的個(gè)性化診斷和生理監(jiān)測(cè)能力至關(guān)重要。不過，由于這一系統(tǒng)依賴身體運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生汗液，在連續(xù)監(jiān)測(cè)應(yīng)用中效用有限。

汗液葡萄糖生物傳感器非常適合與糖尿病管理應(yīng)用相結(jié)合。德克薩斯大學(xué)奧斯汀分校戴爾醫(yī)學(xué)院的研究團(tuán)隊(duì)便展示了這樣的系統(tǒng)，將葡萄糖監(jiān)測(cè)設(shè)備與酸堿度、濕度和溫度傳感器結(jié)合，并將整合后的系統(tǒng)集成到經(jīng)皮給藥系統(tǒng)中，從而將多標(biāo)志物可穿戴設(shè)備的優(yōu)勢(shì)淋漓盡致地發(fā)揮出來。

這一系統(tǒng)成功地將經(jīng)皮葡萄糖檢測(cè)與藥物輸送平臺(tái)相結(jié)合，標(biāo)志著在可靠的“傳感-行為”路上取得了重大進(jìn)展。

不過，這些設(shè)備的運(yùn)作依賴于目標(biāo)用戶進(jìn)行運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生汗液。因此，與日常生活所需要的不依賴運(yùn)動(dòng)的連續(xù)血糖監(jiān)測(cè)不兼容。這種用于管理糖尿病的汗液監(jiān)測(cè)設(shè)備仍然需要更大規(guī)模人群的臨床驗(yàn)證。

同時(shí)，盡管有研究表明汗液葡萄糖濃度與同期血壓有關(guān)聯(lián)，但用表皮生物傳感器精確測(cè)量生理相關(guān)的汗液葡萄糖濃度面臨著來自不受控制的操作條件的主要挑戰(zhàn)，比如，溫度和酸堿度變化、復(fù)雜多樣的葡萄糖污染源，較低的采樣率及采樣量。這都會(huì)損害收集數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性。

加州大學(xué)圣地亞哥分校納米工程系的研究團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)了一種將電生理測(cè)量與生化標(biāo)記物分析相結(jié)合的多路復(fù)用可穿戴傳感新方法。這種方法不再需要單獨(dú)的物理傳感器和化學(xué)傳感器，而是通過絲網(wǎng)打印的化學(xué)物理混合貼片傳感器同時(shí)測(cè)量乳酸和心率，且不會(huì)彼此干擾。這代表著多模可穿戴傳感器邁出了重要的第一步。

除了電化學(xué)檢測(cè)技術(shù)外，通過監(jiān)測(cè)汗液生化標(biāo)志物與不同染料指示劑反應(yīng)的色差分析技術(shù)也得到了廣泛應(yīng)用。色差分析技術(shù)因其無(wú)需供電的特性尤其適合可穿戴設(shè)備，但它需要額外的讀取設(shè)備對(duì)測(cè)量數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，比如，帶有色彩分析功能的攝像頭。

封閉式微流控系統(tǒng)能對(duì)汗液進(jìn)行直接快速的收集，并能防止了汗液蒸發(fā)和污染。因此，這樣的設(shè)備允許復(fù)雜的汗水采樣和測(cè)量，解決了汗液領(lǐng)域的常見問題。將用于實(shí)時(shí)汗液采樣的微流控系統(tǒng)與色差生物傳感系統(tǒng)結(jié)合，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)多個(gè)汗液生物標(biāo)志物的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。

一個(gè)國(guó)際合作團(tuán)隊(duì)已經(jīng)設(shè)計(jì)出一個(gè)黏合在皮膚上的微流控系統(tǒng)，通過多個(gè)采樣通道和對(duì)應(yīng)的儲(chǔ)液倉(cāng)，配合汗液流失的定量分析，它可以監(jiān)測(cè)多個(gè)汗液生物標(biāo)記物。

加州大學(xué)圣地亞哥分校納米工程系的研究團(tuán)隊(duì)最近也開發(fā)了一種類似的皮膚穿戴式柔性汗水采樣微流控系統(tǒng)，并集成了對(duì)乳酸和葡萄糖的電化學(xué)生物傳感功能。

這種微流控汗液監(jiān)測(cè)技術(shù)通過將熒光探針結(jié)合到皮膚接觸系統(tǒng)上，并通過基于智能手機(jī)的成像模塊對(duì)反應(yīng)熒光進(jìn)行評(píng)估，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)氯化物、鈉和鋅的精確現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量。這種光學(xué)傳感體液的方法提供了與傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)室條件下對(duì)微升級(jí)別容積測(cè)量相當(dāng)?shù)撵`敏度。由于這種方式結(jié)合了不依賴運(yùn)動(dòng)來產(chǎn)生汗液的取樣方法，對(duì)于擴(kuò)大目標(biāo)生物標(biāo)志物的范圍至關(guān)重要。

利用智能手機(jī)識(shí)別色差的可穿戴生物傳感設(shè)備

包括與激素和免疫反應(yīng)有關(guān)的標(biāo)記物也顯示出了穿戴式免疫傳感器的診斷潛力。德克薩斯大學(xué)達(dá)拉斯分校開發(fā)的平臺(tái)使用室溫離子液體來補(bǔ)償汗液酸堿度的變化，并在長(zhǎng)達(dá)96小時(shí)的時(shí)間內(nèi)提高抗體生物受體的穩(wěn)定性。作為替代方案，該校的研究團(tuán)隊(duì)還開發(fā)了一個(gè)皮質(zhì)醇傳感系統(tǒng)，基于可與皮質(zhì)醇抗體作用的二硫化鉬納米薄片。

這種基于抗體的生物檢測(cè)方法一旦成功，將可擴(kuò)大表皮可穿戴式生物傳感器的應(yīng)用范圍。不過，它還有很長(zhǎng)的路要走。最大問題在于，這種免疫傳感器會(huì)在反應(yīng)中耗盡，無(wú)法輕易再生，使其無(wú)法用于連續(xù)監(jiān)測(cè)應(yīng)用。

目前，大部分可穿戴生物傳感器主要基于電化學(xué)或光學(xué)原理。壓電生物傳感技術(shù)也被引入，作為監(jiān)測(cè)汗液代謝物的電子皮膚平臺(tái)。壓電信號(hào)由身體運(yùn)動(dòng)驅(qū)動(dòng)，是一種無(wú)需外界供電的自供電生物傳感器。

不過，可穿戴式壓電生物傳感器作為自供電設(shè)備，需要對(duì)其在實(shí)際應(yīng)用中的關(guān)鍵性能評(píng)估，比如準(zhǔn)確性和使用時(shí)間。

除了前面提到的汗液或間質(zhì)液，表皮生物傳感器也可以直接分析皮膚表面。加州大學(xué)圣地亞哥納米工程系研究團(tuán)隊(duì)開發(fā)的繃帶式生物傳感器能夠?qū)⑵つw表面上的酪氨酸酶作為標(biāo)志物進(jìn)行分析。據(jù)我們所知，這個(gè)是第一個(gè)將酶作為生物標(biāo)志物的可穿戴設(shè)備。

這種繃帶式酪氨酸酶生物傳感器具有誘人的性能，可在未來用于黑色素瘤的快速篩查，在低成本且分散的家庭或護(hù)理點(diǎn)應(yīng)用上具有相當(dāng)大的潛力。當(dāng)然，它仍然需要大量的實(shí)驗(yàn)。

基于離子電滲的表皮生物傳感器

汗液和間質(zhì)液也可以通過無(wú)創(chuàng)離子電滲獲得。這種技術(shù)可以在兩個(gè)皮膚穿戴電極之間施加一個(gè)溫和的電流來誘導(dǎo)汗液或間質(zhì)液中的離子遷移，完全不會(huì)損傷皮膚或解除血液，并且可以在人體休息的時(shí)候進(jìn)行。

Cygnus曾經(jīng)首次展示了基于反相離子電滲作用傳感器的腕戴式可穿戴設(shè)備，叫做GlucoWatchBiographer。這款設(shè)備通過了FDA認(rèn)證，可在1小時(shí)內(nèi)對(duì)間質(zhì)液中的葡萄糖進(jìn)行6次無(wú)創(chuàng)監(jiān)測(cè)，持續(xù)工作超過12小時(shí)。

因?yàn)殚g質(zhì)液成分直接從毛細(xì)血管內(nèi)皮擴(kuò)散，間質(zhì)液中的葡萄糖水平與血糖密切相關(guān)。利用裝在皮膚上的葡萄糖生物傳感器可以很容易地測(cè)定從ISF中提取的葡萄糖。

不過，這款設(shè)備的預(yù)熱時(shí)間長(zhǎng)達(dá)2-3小時(shí)；校正設(shè)備時(shí)仍然需要使用侵入式血糖儀；以及更為重要的是，有報(bào)道稱反相離子電滲會(huì)刺激皮膚，這款產(chǎn)品在二十一世紀(jì)早期退出了市場(chǎng)。

之后，加州大學(xué)圣地亞哥分校納米工程系研究團(tuán)隊(duì)開發(fā)了一個(gè)離子電滲平臺(tái)，即最開始所說的柔性臨時(shí)紋身傳感器。其上用于反相離子電滲的電極，以及葡萄糖生物傳感電極均采用絲網(wǎng)打印制成。

這一概念平臺(tái)解決了GlucoWatchBiographer的幾個(gè)問題。首先，通過降低所施加的離子電滲電流和葡萄糖檢測(cè)電位，減少了反相離子電滲對(duì)皮膚的刺激。其次，一次性絲網(wǎng)印刷紋身的方式降低了設(shè)備價(jià)格。最后，它很容易固定在皮膚表面，且不會(huì)妨礙佩戴者的活動(dòng)。

這一設(shè)備成功獲得了驗(yàn)證，表明基于離子電滲的可拋棄式葡萄糖傳感平臺(tái)被應(yīng)用到可穿戴設(shè)備上的潛力。不過，該設(shè)備缺乏電子集成，并且需要進(jìn)行長(zhǎng)期連續(xù)監(jiān)測(cè)應(yīng)用的驗(yàn)證。

清華大學(xué)與空軍總醫(yī)院合作，為可穿戴設(shè)備設(shè)計(jì)了一個(gè)新的傳感器，使其具備帶正電荷的玻黏胺糖酸的傳遞功能；從而加速葡萄糖向皮膚表面的傳遞，提升了間質(zhì)液中葡萄糖采樣效率。

這些基于離子電滲的葡萄糖傳感器充分利用了間質(zhì)液葡萄糖和血糖的密切關(guān)聯(lián)，以及離子電滲在人體靜止時(shí)從間質(zhì)液中取樣的能力。然而，通過離子電滲提取葡萄糖的效率難以控制，可能導(dǎo)致取樣間質(zhì)液的容量不一致，導(dǎo)致其中葡萄糖濃度發(fā)生變化。

最近，英國(guó)巴斯大學(xué)物理學(xué)研究團(tuán)隊(duì)開發(fā)了一款基于石墨烯像素的血糖監(jiān)測(cè)貼，可以提高離子電滲對(duì)標(biāo)志物提取的一致性。該平臺(tái)應(yīng)用了一系列石墨烯“像素”，大小與從單個(gè)毛囊中采集間質(zhì)液所需的容積大小相同，使得提取可以更好地重現(xiàn)。

多個(gè)石墨烯像素組成的陣列可以在單個(gè)平臺(tái)上實(shí)現(xiàn)具有冗余度的測(cè)量，以獲得更高的精度。這對(duì)于表皮可穿戴式生物傳感器的商業(yè)化至關(guān)重要。巴斯大學(xué)的這一設(shè)備在體外成功進(jìn)行了6小時(shí)以上的無(wú)創(chuàng)血糖監(jiān)測(cè)。目前，它還需要提升工作時(shí)間來滿足需求。

離子電滲最近也可被應(yīng)用于刺激局部汗液分泌。方法是將汗液刺激劑（毛果蕓香堿和卡巴膽堿）加載到離子電滲電極上。這種方法可以按需產(chǎn)生汗液，并且可以在休息時(shí)獲取。

汗液刺激劑有著悠久的使用歷史。早在1959年，吉布森和庫(kù)克開發(fā)離子電滲時(shí)就使用了毛果蕓香堿。它可以通過電荷排斥作用利用陽(yáng)極滲透皮膚，促進(jìn)局部汗液產(chǎn)生。

商業(yè)化的氯離子監(jiān)測(cè)產(chǎn)品已經(jīng)出現(xiàn)，即Wescor的Macroduct——這款主要用于囊胞性纖維癥診斷的設(shè)備正在申請(qǐng)F(tuán)DA認(rèn)證。

加州大學(xué)圣地亞哥分校納米工程系研究團(tuán)隊(duì)也嘗試將離子電滲汗液產(chǎn)生系統(tǒng)，以及基于電流分析的生物傳感技術(shù)合并到團(tuán)隊(duì)研發(fā)的可穿戴臨時(shí)紋身上。它的可行性及性能經(jīng)過了驗(yàn)證，可在10分鐘內(nèi)測(cè)量汗液中的酒精含量，對(duì)于揭示血液酒精含量是一個(gè)有用的指標(biāo)，且沒有時(shí)間延遲，也沒有透皮裝置和檢測(cè)酒駕所用的呼氣測(cè)試儀的常見誤差。

加州幾所大學(xué)的跨校合作團(tuán)隊(duì)也開發(fā)了一種貼片式離子電滲汗液傳感器，可用于囊胞性纖維癥診斷中對(duì)鈉和氯離子的測(cè)量，也可以用于對(duì)健康人群葡萄糖濃度的測(cè)量。尤為特別的是，該平臺(tái)具有可定制的不同的汗液產(chǎn)生配置。

然而，目前該平臺(tái)汗液產(chǎn)生的持續(xù)時(shí)間只有60分鐘的時(shí)間，隨著時(shí)間的推移出汗率會(huì)發(fā)生變化。這可能會(huì)妨礙連續(xù)監(jiān)視應(yīng)用。

表皮可穿戴生物傳感器的還可以在藥物檢測(cè)中發(fā)揮作用，以實(shí)現(xiàn)無(wú)創(chuàng)藥動(dòng)學(xué)研究。加州大學(xué)伯克利分校研究團(tuán)隊(duì)開發(fā)了一種可穿戴設(shè)備，基于毛果蕓香堿刺激的離子電滲汗液或者運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生的汗液來檢測(cè)咖啡因。

這個(gè)概念驗(yàn)證表明了生物傳感器在藥動(dòng)學(xué)的潛力，從而展現(xiàn)出未來在醫(yī)藥技術(shù)上應(yīng)用的巨大潛力。

不過，它并未集成汗液產(chǎn)生裝置。同時(shí)，為了在安靜狀態(tài)下進(jìn)行廣泛的藥動(dòng)學(xué)研究，還需將定制的離子電滲設(shè)備與傳感平臺(tái)集成。此外，還需要對(duì)血-汗藥物濃度的相關(guān)性有更深入的了解。

大部分表皮傳感器只能對(duì)單一生物體液進(jìn)行分析。加州大學(xué)的研究團(tuán)隊(duì)最近展示了同時(shí)對(duì)兩種不同的生物體液進(jìn)行采樣和分析單一的穿戴式平臺(tái)。利用離子電滲，這一可佩戴紋身可對(duì)基于離子電滲給藥刺激的汗液，以及基于反相離子電滲的間質(zhì)液取樣，并同時(shí)分析各自包含的生物標(biāo)志物。

挑戰(zhàn)和未來展望

總的來說，基于無(wú)創(chuàng)取樣汗液和間質(zhì)液監(jiān)測(cè)的表皮可穿戴式平臺(tái)在設(shè)備集成、傳感精度、汗液/ISF生成和替代、信號(hào)傳導(dǎo)、數(shù)據(jù)傳輸和多路復(fù)用傳感等方面取得了顯著進(jìn)展；同時(shí)，相關(guān)的柔性材料和自恢復(fù)材料也有進(jìn)展。

然而，這一技術(shù)還需要延長(zhǎng)使用時(shí)間，增強(qiáng)傳感器響應(yīng)與同期分析血液濃度的相關(guān)性，對(duì)生物體液有效可控的取樣，以及加強(qiáng)汗液取樣和傳輸，以提高檢測(cè)的可靠性和關(guān)聯(lián)來動(dòng)態(tài)監(jiān)控濃度的變化。

多路復(fù)用傳感平臺(tái)可以通過校正復(fù)雜因素的變化來進(jìn)一步增強(qiáng)了監(jiān)測(cè)汗液分析物的可靠性。由于滿足了通過體育鍛煉產(chǎn)生汗液的要求，目前已問世的系統(tǒng)特別適合體質(zhì)監(jiān)測(cè)。不過，為了滿足如糖尿病或酒精監(jiān)測(cè)的需求，需要可替代的無(wú)創(chuàng)取樣路徑，還需要擴(kuò)大目標(biāo)生物標(biāo)志物的范圍。

基于眼睛的可穿戴生物傳感器

另一種可以用來監(jiān)測(cè)生理狀態(tài)的生物液體是淚液。淚液中的生物標(biāo)志物分子直接從血液中擴(kuò)散出來，加上淚-血閉環(huán)，體現(xiàn)了和血壓中標(biāo)志物濃度的有力關(guān)聯(lián)。淚液是眼睛防污機(jī)制的一部分，成分不如血液復(fù)雜。這些特性使得淚液對(duì)于無(wú)創(chuàng)監(jiān)測(cè)及診斷來說極具吸引力。

淚液的分泌和組成

淚液由淚腺分泌，覆蓋在眼睛表面，形成一層保護(hù)膜。淚液中包含各種代謝物和電解質(zhì)，其所含葡萄糖濃度與血糖水平有很好的關(guān)聯(lián)度——當(dāng)然，前提是對(duì)淚腺自然分泌的眼淚進(jìn)行取樣。眼部經(jīng)受刺激后分泌的淚液通常會(huì)破壞這種關(guān)聯(lián)。

盡管已被證明有關(guān)聯(lián)，但用于體外診斷的淚液取樣存在樣品容量小、采樣過程易蒸發(fā)、不同個(gè)體淚液分泌變化及單個(gè)個(gè)體不同時(shí)間淚液分泌變化，以及收集方法有較大難度等問題，極易影響取樣淚液的標(biāo)志物濃度。

因此，體外淚液診斷試驗(yàn)的準(zhǔn)確性在很大程度上取決于收集方法，最常見的策略是通過玻璃毛細(xì)管或施墨試驗(yàn)（Schirmer’sstrip）。因情緒或機(jī)械刺激產(chǎn)生的反射性淚液，其成分與自然分泌的淚液不同。這些變化和挑戰(zhàn)凸顯了開發(fā)無(wú)眼刺激的可穿戴式眼淚傳感平臺(tái)的必要性。

基于淚液的可穿戴式生物傳感器

因?yàn)榭梢栽趯?duì)眼睛沒有刺激的前提下佩戴，且可與日常分泌的淚液保持始終直接接觸，基于隱形眼鏡的系統(tǒng)對(duì)于解決眼淚收集問題來說很有吸引力。

基于隱形眼鏡形態(tài)的可穿戴生物傳感平臺(tái)

這些設(shè)備將所有必要的生物傳感、數(shù)據(jù)處理和供電集成在隱形眼鏡內(nèi)，設(shè)計(jì)上是一個(gè)巨大的挑戰(zhàn)。用于隱形眼鏡制造的軟材料的快速發(fā)展減少了眼部刺激，避免佩戴者的不適，并提供了必要的透氧性，從而提高了對(duì)淚液葡萄糖或代謝物連續(xù)監(jiān)測(cè)的準(zhǔn)確性。

華盛頓大學(xué)電子工程系研究團(tuán)隊(duì)研究了不同的生物傳感策略，通過引入雙傳感器設(shè)置解決了干擾問題。更進(jìn)一步的改進(jìn)也在計(jì)劃中——通過嵌入一個(gè)基于2.4GHz無(wú)線的讀取芯片，以及利用遠(yuǎn)場(chǎng)電磁輻射（15cm距離功率可達(dá)3μW）為該裝置供電。

谷歌與諾華合作，也分別在各自擅長(zhǎng)的電子微型化和應(yīng)用醫(yī)療技術(shù)方面取得了顯著的進(jìn)步，開發(fā)出用于淚液葡萄糖監(jiān)測(cè)的接觸式隱形眼鏡平臺(tái)。這個(gè)這個(gè)軟性隱形眼鏡平臺(tái)概念產(chǎn)品包含了無(wú)線控制芯片、縮微電化學(xué)轉(zhuǎn)換器以及天線，并嵌入了水凝膠骨架，用于對(duì)周圍的眼淚進(jìn)行葡萄糖無(wú)創(chuàng)檢測(cè)。

這一產(chǎn)品原本可以加速將隱形眼鏡生物傳感器的商業(yè)化。遺憾的是，該產(chǎn)品的臨床試驗(yàn)及隨后商業(yè)產(chǎn)品的發(fā)布已經(jīng)被延遲。這表明了成功實(shí)現(xiàn)高性能隱形眼鏡傳感平臺(tái)仍有巨大的技術(shù)挑戰(zhàn)。

最近，韓國(guó)蔚山國(guó)立科技大學(xué)的研究團(tuán)隊(duì)通過無(wú)線技術(shù)將葡萄糖隱形眼鏡傳感器及眼壓隱形眼鏡傳感器結(jié)合，使基于智能隱形眼鏡的無(wú)線眼科檢測(cè)有了進(jìn)一步發(fā)展。在演示中，佩戴在兔眼上的體內(nèi)葡萄糖監(jiān)測(cè)傳感器使用無(wú)線技術(shù)與佩戴在牛眼上的體外眼壓監(jiān)測(cè)傳感器結(jié)合起來。

盡管該裝置理論上能夠進(jìn)行多路復(fù)用傳感，但兩種傳感器同時(shí)操作并未經(jīng)過驗(yàn)證。在進(jìn)行進(jìn)一步的人體試驗(yàn)之前，它們之間的互相干擾和生物相容性還需經(jīng)過嚴(yán)格評(píng)估。

隨后，該團(tuán)隊(duì)進(jìn)一步在隱形眼鏡生物傳感器上集成無(wú)線顯示及相關(guān)供電模塊，從而可以實(shí)時(shí)顯示兔子淚液的體內(nèi)葡萄糖反應(yīng)。這種先進(jìn)設(shè)備使用透明且柔軟的材料，在不妨礙視力的前提下可以保證佩戴者舒適。同時(shí)，它集成了無(wú)線供電模組，不再需要額外的電源。

不過，目前仍然需要進(jìn)行更多的研究來證明該系統(tǒng)全天候的體內(nèi)傳感性能，并顯示其用于測(cè)量變化葡萄糖含量的可行性。

英國(guó)伯明翰大學(xué)的研究團(tuán)隊(duì)則將采用水凝膠的光子微結(jié)構(gòu)傳感器安裝在市售隱形眼鏡上。不同的反射功率被智能手機(jī)記錄下來，從而對(duì)應(yīng)淚液葡萄糖的變化。經(jīng)過驗(yàn)證，這一系統(tǒng)具有快速及靈敏的葡萄糖響應(yīng)。

同時(shí)，這個(gè)設(shè)備制造簡(jiǎn)單，可以快速生產(chǎn)。這種能力使其非常適合替代電化學(xué)為基礎(chǔ)的接觸鏡片生物傳感器，從而解決了在微型設(shè)備中供電和數(shù)據(jù)傳輸?shù)碾y題。

除了隱形眼鏡平臺(tái)外，還有一種類似彈簧的小型電化學(xué)傳感器值得一提。這個(gè)NovioSense設(shè)計(jì)的傳感器由多個(gè)螺旋電極組成，表面涂有保護(hù)性多糖基水凝膠材料。通過將該設(shè)備放置于眼球結(jié)膜穹窿下，來提供持續(xù)的淚液通道。

由于位于眼睛底部，眼瞼后方，它不會(huì)造成佩戴者的不適，可以利用無(wú)線數(shù)據(jù)傳輸可對(duì)淚液葡萄糖進(jìn)行持續(xù)的測(cè)量。利用其進(jìn)行的一項(xiàng)臨床試驗(yàn)表明，淚液葡萄糖和血糖濃度之間具有密切關(guān)聯(lián)，甚至包括Ⅰ型糖尿病患者也不例外。

挑戰(zhàn)和未來展望

總的來說，基于淚液的傳感器主要集中在葡萄糖監(jiān)測(cè)上，但在無(wú)創(chuàng)檢測(cè)其他生理指標(biāo)方面也有很大的應(yīng)用前景。

淚液中新的生物標(biāo)志物范圍可以擴(kuò)大到其他代謝物和關(guān)鍵電解質(zhì)，它們?cè)跍I液中的濃度與其在血液中的濃度顯示出很高的關(guān)聯(lián)度。例如，直接基于淚液的無(wú)創(chuàng)兒茶酚胺測(cè)定可以提高青光眼的診斷。

由于淚液中含有數(shù)千種蛋白質(zhì)，無(wú)創(chuàng)淚液監(jiān)測(cè)也可用于檢測(cè)與疾病相關(guān)的蛋白質(zhì)生物標(biāo)志物。然而，和汗液一樣，這些應(yīng)用需要對(duì)淚-血中標(biāo)志物濃度的相關(guān)性進(jìn)行廣泛的研究及驗(yàn)證。

因?yàn)椴粫?huì)刺激眼睛，產(chǎn)生相對(duì)一致的淚液，隱形眼鏡形式的的可穿戴淚液平臺(tái)被證明對(duì)監(jiān)測(cè)健康狀況很有吸引力。在未來，通過將接口和供電微型化，并完全集成到鏡片，它還可以進(jìn)一步擴(kuò)展到治療應(yīng)用。

微流控技術(shù)還可以應(yīng)對(duì)淚液取樣中遇到的采樣容積小及易于蒸發(fā)的難題，以便于實(shí)時(shí)準(zhǔn)確的采集淚液監(jiān)測(cè)。但該平臺(tái)在生物傳感方面的應(yīng)用還未得到進(jìn)一步證實(shí)，一旦成功實(shí)現(xiàn)將大大提高未來淚液生物監(jiān)測(cè)的準(zhǔn)確性。

由于眼睛對(duì)外來異物的敏感性，目前淚液生物傳感器局限于動(dòng)物實(shí)驗(yàn)。在加強(qiáng)安全措施后，后續(xù)可以開展人體實(shí)驗(yàn)。

與表皮可穿戴生物傳感器相比，科創(chuàng)貸淚液生物傳感器不需要誘導(dǎo)或提取就能持續(xù)獲得目標(biāo)生物體液。不過，取樣的困難使得打造可靠的淚液傳感平臺(tái)變得復(fù)雜。與此同時(shí)，隱形眼鏡形式的可穿戴設(shè)備因?yàn)楣ぷ鳝h(huán)境會(huì)受到設(shè)計(jì)上的限制。

口腔可穿戴生物傳感器

唾液中的許多生物標(biāo)記物通過直接在體內(nèi)血液循環(huán)以細(xì)胞轉(zhuǎn)運(yùn)或細(xì)胞間傳輸?shù)姆绞竭M(jìn)入唾液，使唾液成為反映人體生理狀態(tài)的“人體之鏡”，是一種理想的替代血液分析的無(wú)創(chuàng)取樣方法。

同時(shí)，唾液具有較高的蛋白質(zhì)含量，非常適合檢測(cè)其中與疾病和應(yīng)激相關(guān)的生物標(biāo)志物，在生物醫(yī)學(xué)和健康監(jiān)測(cè)中具有重要的應(yīng)用價(jià)值。因?yàn)橥僖嚎梢院苋菀椎厥占剑驯挥糜谧鳛閹罨虮銛y式設(shè)備平臺(tái)進(jìn)行的體外診斷生物傳感的體液。

唾液的分泌和組成

唾液主要由腮腺產(chǎn)生，是一種復(fù)雜的口腔液體。它由許多成分組成，包括代謝物、酶激素、蛋白質(zhì)、微生物和離子等。這些唾液生物標(biāo)志物中的幾種（藥物、激素、代謝物或抗體）因?yàn)榭商峁┯幸饬x的診斷信息已經(jīng)被用于臨床用途。

對(duì)于可穿戴式口腔生物傳感器的研究相對(duì)較少。原因在于唾液中豐富的蛋白質(zhì)和低濃度生物標(biāo)記物會(huì)造成潛在的生物污染。盡管存在這些挑戰(zhàn)，但口腔生物傳感平臺(tái)可以無(wú)痛的方式從唾液中獲取動(dòng)態(tài)化學(xué)信息，很具吸引力。

目前的口腔可穿戴平臺(tái)需要將生物傳感器和電子接口結(jié)合到口腔安裝設(shè)備，以護(hù)齒或基于假牙的形式存在。

基于唾液的可穿戴生物傳感器

據(jù)我們所知，第一個(gè)可穿戴式口腔傳感器是在二十世紀(jì)六十年代展示的。它基于局部假牙平臺(tái)，用于監(jiān)測(cè)咀嚼、牙菌斑酸堿度和氟化物濃度。不過，它需要用傳感器更換幾顆牙齒，且內(nèi)部傳感器可能會(huì)有口腔內(nèi)滲漏的風(fēng)險(xiǎn)，未被實(shí)際應(yīng)用。

普林斯頓大學(xué)的研究團(tuán)隊(duì)擴(kuò)展了這一想法，他們將石墨烯制成的納米傳感器印刷在水溶性絲線上，并直接轉(zhuǎn)移到牙釉質(zhì)上以實(shí)現(xiàn)對(duì)細(xì)菌被動(dòng)且無(wú)線的監(jiān)測(cè)，從而拓展了口腔生物傳感技術(shù)的研究。這個(gè)概念產(chǎn)品旨在遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)牙齒上的細(xì)菌，并可擴(kuò)展到監(jiān)測(cè)其他唾液生物標(biāo)志物。

體外研究表明，血液和唾液代謝物水平之間具有緊密關(guān)聯(lián)，這促進(jìn)了現(xiàn)代口腔唾液代謝物傳感器的發(fā)展，特別是與可穿戴護(hù)齒的聯(lián)系。加州大學(xué)圣地亞哥分校納米工程系的研究團(tuán)隊(duì)通過在設(shè)備上集成絲網(wǎng)印刷的酶電極，開發(fā)了護(hù)齒形態(tài)的唾液代謝物（主要是乳酸）電化學(xué)生物傳感器。唾液中的乳酸與血液乳酸有很好的關(guān)聯(lián)，可用于評(píng)估生理反應(yīng)和表現(xiàn)。

該團(tuán)隊(duì)進(jìn)一步展示了護(hù)齒形態(tài)的尿酸生物傳感器，可對(duì)唾液中的尿酸水平進(jìn)行監(jiān)控，從而可以間接實(shí)現(xiàn)對(duì)血液尿酸的無(wú)創(chuàng)監(jiān)測(cè)。血液尿酸是多種疾病（如高尿酸血癥、痛風(fēng)和腎綜合征）的生物標(biāo)志物。

基于護(hù)齒的可穿戴生物傳感設(shè)備

這一平臺(tái)顯示出了靈敏、特異性強(qiáng)、反應(yīng)穩(wěn)定且迅速的特點(diǎn)。使我們能夠獲得口腔唾液生物標(biāo)志物的動(dòng)態(tài)化學(xué)數(shù)據(jù)。盡管這些護(hù)齒生物傳感設(shè)備非常適合健身或診斷應(yīng)用，我們?nèi)匀恍枰嗟莫?dú)立平臺(tái)來擴(kuò)大應(yīng)用范圍，例如用于日常生活中的連續(xù)血糖監(jiān)測(cè)。

來自日本和英國(guó)的跨國(guó)研究團(tuán)隊(duì)開發(fā)了一種微型化可拆卸的“腔式傳感器”。傳感器表面基于GOx改進(jìn)聚乙二醇材質(zhì)制成，其中集成了無(wú)線收發(fā)器，安裝在定制的單片護(hù)齒上匹配佩戴者牙齒的形狀，用于固定在護(hù)齒上測(cè)量唾液葡萄糖。

血糖和唾液葡萄糖的緊密關(guān)聯(lián)為葡萄糖取樣提供了一種非常有利且容易獲得的途徑。不過，在考慮用微型可穿戴平臺(tái)經(jīng)由唾液葡萄糖篩查或監(jiān)測(cè)糖尿病之前，還需要進(jìn)一步的大樣本人體研究。

韓國(guó)嘉泉大學(xué)基于口腔平臺(tái)的可穿戴傳感器最近也進(jìn)行了展示。通過在安裝在牙齒上的口腔傳感器中引入生物相容性材料和RF傳感器測(cè)量唾液中的酒精含量、鹽分、糖分、酸堿度和溫度等，從而對(duì)攝食期間對(duì)食物進(jìn)行無(wú)線監(jiān)測(cè)。不過，該系統(tǒng)還需要對(duì)生物標(biāo)志物的定向選擇性進(jìn)行嚴(yán)格評(píng)估，以確保精確度。

另外一種口腔監(jiān)測(cè)裝置則通過使用超薄可伸縮的電子設(shè)備和微型傳感器實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程無(wú)線遙測(cè)鈉攝入。人體實(shí)驗(yàn)已證明了對(duì)鈉消耗進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)的可行性，這正是是高血壓管理所需要的功能。

當(dāng)然，目前僅僅是在沒有化學(xué)傳感層的情況下對(duì)設(shè)備毒性進(jìn)行了評(píng)估。若要用于實(shí)際的口腔應(yīng)用，則需要對(duì)識(shí)別層的生物相容性進(jìn)行嚴(yán)格評(píng)估。

總的來說，口腔傳感平臺(tái)仍然需要重要評(píng)估，以保證實(shí)際應(yīng)用時(shí)的安全性和可靠性。尤其需要特別注意設(shè)備安全，并盡量減少其他唾液成分和食物殘?jiān)斐傻谋砻嫖廴尽?/p>

挑戰(zhàn)和未來展望

盡管唾液有望成為一種很有潛力的無(wú)創(chuàng)診斷體液，但在實(shí)現(xiàn)廣泛精確的口腔監(jiān)測(cè)應(yīng)用方面仍存在挑戰(zhàn)。唾液中許多重要生物標(biāo)志物的濃度明顯低于血液中的濃度，對(duì)傳感器的靈敏度提出了較高的要求。

與汗液和淚液相比，唾液的確容易取樣。但它成分豐富，且很容易被外部因素（例如食物和飲料）污染。潛在的牙齦出血也會(huì)導(dǎo)致污染或錯(cuò)誤的信號(hào)。唾液中的高濃度蛋白質(zhì)會(huì)吸附在傳感器傳導(dǎo)層表面，使其被迅速污染——當(dāng)然，開發(fā)選擇性可穿透保護(hù)涂層可以解決這個(gè)問題。

可穿戴口腔傳感設(shè)備還需要與血液進(jìn)行詳細(xì)的驗(yàn)證研究，并對(duì)設(shè)備安全性和可靠性進(jìn)行嚴(yán)格評(píng)估。對(duì)于新的唾液生物標(biāo)志物的持續(xù)發(fā)現(xiàn)將有助于進(jìn)一步擴(kuò)大唾液的診斷范圍。

可穿戴生物傳感技術(shù)的困難

大量創(chuàng)新的可穿戴生物傳感設(shè)備已經(jīng)在不同的應(yīng)用中得到了展示。這都表明，可穿戴生物傳感器在實(shí)際應(yīng)用中具有巨大的潛力。得益于多路復(fù)用傳感平臺(tái)、體液取樣、柔性材料和無(wú)線方面的進(jìn)展。可穿戴生物傳感器的可靠性、監(jiān)測(cè)能力和可穿戴性得到了巨大的提升。

然而，目前的可穿戴生物傳感器仍然處于概念階段，離實(shí)際應(yīng)用還有不短的距離。無(wú)論是在檢測(cè)范圍、有效性、穩(wěn)定性和準(zhǔn)確性，還是在供電、通信、安全與隱私上，它都存在很大的挑戰(zhàn)。

更廣泛生物標(biāo)記物的測(cè)量

目前，大多數(shù)可穿戴生物傳感器只測(cè)量少量的生物標(biāo)記物。未來業(yè)界應(yīng)該努力推出新的生物傳感器格式，以及更好的無(wú)創(chuàng)生物體液取樣，以監(jiān)測(cè)更廣泛的生物標(biāo)志物。

了解每一種生物體液的組成，及其與血液化學(xué)和某些醫(yī)學(xué)疾病的關(guān)系，對(duì)于擴(kuò)大醫(yī)療保健領(lǐng)域?qū)纱┐骷夹g(shù)的認(rèn)可，及在臨床上廣泛接受這些設(shè)備至關(guān)重要。

無(wú)創(chuàng)體液取樣中標(biāo)志物水平與同時(shí)期標(biāo)志物在血液中濃度的實(shí)時(shí)關(guān)聯(lián)是其獲得認(rèn)可的關(guān)鍵指標(biāo)。在真實(shí)世界中對(duì)生物傳感器讀取進(jìn)行嚴(yán)格和可再現(xiàn)的解釋也是一個(gè)正在進(jìn)行的目標(biāo)，特別是在可能需要臨床響應(yīng)或操作響應(yīng)的應(yīng)用中。

未來，為了識(shí)別新的生物標(biāo)志物，我們需要對(duì)每一種不同生物體液的組成進(jìn)行系統(tǒng)深入的分析——這在以往一直不在可穿戴傳感器的研究范圍。

無(wú)創(chuàng)檢測(cè)也可以擴(kuò)展到測(cè)量少數(shù)有限的代謝物和電解質(zhì)之外，比如，使用無(wú)創(chuàng)免疫分析評(píng)估一系列蛋白質(zhì)疾病標(biāo)記物、激素和應(yīng)激標(biāo)記物。

同樣，除了現(xiàn)有的體液類型，應(yīng)該嘗試從新的體液類型（尿液、粘液和精液）尋求機(jī)會(huì)。這種對(duì)更大范圍生物標(biāo)記物的實(shí)時(shí)分析最終將使生物醫(yī)學(xué)的其他領(lǐng)域受益，比如，由生物標(biāo)志物引導(dǎo)的新實(shí)驗(yàn)療法的臨床開發(fā)。

可穿戴免疫傳感器需要先進(jìn)的微流控平臺(tái)，具有多個(gè)步驟以及較長(zhǎng)的反應(yīng)時(shí)間來檢測(cè)極低濃度生物標(biāo)志物。它可以簡(jiǎn)化無(wú)標(biāo)記探測(cè)方案，在醫(yī)療保健、健身應(yīng)用以及各種生物防護(hù)應(yīng)用方面都有很大的前景。

雖然大多數(shù)可穿戴設(shè)備主要集中在單一測(cè)量上，對(duì)廣泛的生物標(biāo)記物同時(shí)進(jìn)行無(wú)創(chuàng)監(jiān)測(cè)應(yīng)繼續(xù)努力。這種更全面的分析不僅可以對(duì)生理狀態(tài)進(jìn)行更廣泛的分析，而且還對(duì)響應(yīng)提供了動(dòng)態(tài)校準(zhǔn)和修正，以便進(jìn)行更準(zhǔn)確的監(jiān)測(cè)。

對(duì)同一分析物采用多種傳感方法也可以提高生物傳感器的可靠性。不同模式的可穿戴傳感器的組合可以對(duì)人體生理狀況進(jìn)行更全面的監(jiān)測(cè)，并可發(fā)現(xiàn)廣泛的應(yīng)用范圍。

最后，可穿戴生物傳感器在醫(yī)療保健中的成功實(shí)現(xiàn)需要進(jìn)行廣泛的驗(yàn)證和大規(guī)模的關(guān)聯(lián)性研究——即作為金標(biāo)準(zhǔn)的基于血液的臨床分析。這一相關(guān)性將是開發(fā)可靠且安全的生物傳感診斷平臺(tái)的必要條件。

準(zhǔn)確性和穩(wěn)定性

確保可穿戴傳感器的響應(yīng)既準(zhǔn)確又可靠，對(duì)于它們?cè)谑袌?chǎng)上的接受度至關(guān)重要。可穿戴生物傳感器的準(zhǔn)確性常常受到表面污染效應(yīng)的影響，而表面污染效應(yīng)是影響傳感器連續(xù)工作的主要因素。

為了確保長(zhǎng)時(shí)間佩戴在身體上的可靠性，堅(jiān)固的抗污染表面保護(hù)是必要的，如多模、多標(biāo)志物傳感和漂移校正等動(dòng)態(tài)校準(zhǔn)機(jī)制也是必須的。

基于唾液的口腔生物傳感器預(yù)計(jì)會(huì)有大量的生物污染。因?yàn)橥僖褐泻袕?fù)雜成分，其中含有比汗液或淚液等無(wú)創(chuàng)生物體液高得多的蛋白質(zhì)。

因此，口腔生物傳感器需要特別在表面保護(hù)涂層上下大功夫。傳感器涂層材料應(yīng)慎重選擇，以減少生物污染的影響，并排除同時(shí)存在的電活性干擾。同時(shí)，在傳感器表面添加酶，避免傳感器上潛在有毒成分的泄漏。

與傳統(tǒng)基于實(shí)驗(yàn)室的生物傳感器不同，可穿戴生物傳感器在不受控制的環(huán)境中進(jìn)行長(zhǎng)時(shí)間戶外活動(dòng)時(shí)，可能會(huì)影響脆弱的生物傳感的穩(wěn)定性。包括生物傳感器和物理傳感器的多路復(fù)用傳感技術(shù)，可以為溫度、酸堿度和濕度的變化提供主動(dòng)校準(zhǔn)。

佩戴在身上的準(zhǔn)確的測(cè)量還需要注意來自周圍環(huán)境的潛在污染，與陳舊體液的混合、涉及到相關(guān)傳感器校準(zhǔn)的連續(xù)信號(hào)漂移。這些問題可以通過使用適當(dāng)?shù)奈⒘骺厝酉到y(tǒng)和優(yōu)化表面涂層技術(shù)來部分解決。

系統(tǒng)集成和硬件

雖然不局限于可穿戴生物傳感器，但對(duì)硬件、供電和通信問題的關(guān)注對(duì)于這些傳感設(shè)備的實(shí)際應(yīng)用至關(guān)重要。

硬件組件必須與生物傳感器平臺(tái)高度集成，并根據(jù)特定應(yīng)用的不同要求進(jìn)行修改。包含全功能微控制器的印刷式無(wú)線電路板因?yàn)殪`活性和成本效益，被廣泛用于無(wú)線的平臺(tái)。這種印刷電路板可以進(jìn)一步與電池集成。

可穿戴設(shè)備的另一個(gè)關(guān)鍵要求是在連續(xù)監(jiān)控期間保持低功耗，以便為佩戴者或其他終端用戶提供有用且及時(shí)的化學(xué)信息。這可能需要在能量消耗和數(shù)據(jù)速率之間進(jìn)行權(quán)衡，特別是在需要高采樣頻率時(shí)。對(duì)采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行高效的數(shù)據(jù)處理和有效安全的通信極其重要。

為可穿戴生物傳感平臺(tái)供電的最常見的方式是鋰離子電池或堿性電池。然而，它們體積龐大，可能會(huì)引起毒性問題，特別是基于鋰離子的系統(tǒng)。目前，電池已可使用柔性材料，以提供更好的可穿戴性。但目前尚未證明有足夠的能量密度用于長(zhǎng)期使用。

可穿戴超級(jí)電容具有快速充電和放電能力，但也具有低重量和容量能量密度。取決于可穿戴平臺(tái)的充電類型，部分可穿戴供電在佩戴者鍛煉過程中也會(huì)收集能量進(jìn)行充電。

可穿戴電池可以通過太陽(yáng)能、基于壓電或靜電原理器件的運(yùn)動(dòng)，熱電材質(zhì)的發(fā)熱，或利用取樣生物體液的化學(xué)成分為可穿戴生物燃料電池供電。

可穿戴生物燃料電池是一種很有前途的為無(wú)創(chuàng)可穿戴平臺(tái)供電的方式。它可以從相同的生物體液中獲取能量，并可作為自供電生物傳感器使用，但它的穩(wěn)定性目前還不得而知。

可穿戴供電的進(jìn)步是一個(gè)重要的需求，特別是隨著多路復(fù)用傳感平臺(tái)對(duì)供電需求的增加。除了供電和更節(jié)能設(shè)備的開發(fā)，也可以通過減少能源需求的自適應(yīng)算法來彌補(bǔ)。

未來的展望

可佩戴式生物傳感器的成功轉(zhuǎn)化以及概念驗(yàn)證在商業(yè)市場(chǎng)上面臨著與其基本操作功能相關(guān)的幾個(gè)障礙。首先，可穿戴設(shè)備必須克服在不受控制的條件下長(zhǎng)時(shí)間工作造成的穩(wěn)定性問題。采樣生物體液成分造成的生物污染、以及生物識(shí)別組分本身固有的不穩(wěn)定性。

此外，設(shè)備必須能夠在無(wú)需經(jīng)常重新校準(zhǔn)的前提下可靠地運(yùn)行。因此，傳感器的制備必須保證高的生物受體穩(wěn)定性，以保持響應(yīng)的準(zhǔn)確性和可靠性。

此外，還需要適當(dāng)?shù)牧黧w取樣系統(tǒng)，如微流控，以實(shí)現(xiàn)在傳感器上提供生物體液的有效傳輸，確保可再現(xiàn)的、準(zhǔn)確的信號(hào)，以及可忽略的樣本污染。這種先進(jìn)的可穿戴流體系統(tǒng)還可以促進(jìn)多步驟生物親和測(cè)定，特別是對(duì)免疫測(cè)定而言。如果要用于長(zhǎng)時(shí)間使用的可穿戴設(shè)備，免疫傳感器的再生是另一個(gè)需要克服的主要挑戰(zhàn)。

完全集成化的可穿戴生物傳感平臺(tái)需要結(jié)合具有供電的無(wú)線電子設(shè)備，以便數(shù)據(jù)處理和信號(hào)的安全傳輸。此外，移動(dòng)終端和基于智能手機(jī)的顯微鏡的使用，以及基于算法應(yīng)用的引入，有望促進(jìn)光學(xué)可穿戴生物傳感器響應(yīng)的讀出。

考慮到上述所有挑戰(zhàn)，我們對(duì)可穿戴生物傳感器技術(shù)如何改善我們的健康和性能的了解才剛剛開始。

未來的可穿戴生物傳感器將有多種形態(tài)，從腕帶到紡織品或者時(shí)尚配件，從而融入佩戴者的日常生活。

鑒于可穿戴式生物傳感器的競(jìng)爭(zhēng)研究和巨大的商業(yè)機(jī)會(huì)，我們期待該行業(yè)在不久的將來出現(xiàn)令人興奮的新發(fā)展。因此，可穿戴傳感器市場(chǎng)預(yù)計(jì)將繼續(xù)快速增長(zhǎng)，并繼續(xù)其改變和改善人們生活的軌跡。