可穿戴電子設(shè)備已在體育和醫(yī)療保健領(lǐng)域得到廣泛采用，用于監(jiān)測心率、血氧水平和體溫等生理指標(biāo)。然而，由于傳感器性能和系統(tǒng)設(shè)計的限制，可穿戴設(shè)備在健康應(yīng)用中仍然受到限制。雖然液體活檢技術(shù)已經(jīng)在健康監(jiān)測、早期疾病診斷、預(yù)后檢測和藥物代謝研究中得到廣泛應(yīng)用，但無創(chuàng)實(shí)時監(jiān)測對于日常生理指標(biāo)跟蹤、慢性病管理和運(yùn)動表現(xiàn)監(jiān)測等研究方向仍然至關(guān)重要。

因此，結(jié)合液體活檢技術(shù)的可穿戴設(shè)備有望在人體功能實(shí)時監(jiān)測領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。汗液作為最容易獲得的體液，是非侵入性生物標(biāo)志物分析的絕佳介質(zhì)。汗液中的鉀離子和鈉離子（K?和Na?）是人類代謝狀態(tài)的重要標(biāo)志物，而乳酸是生理應(yīng)激的重要指標(biāo)，反映了有氧代謝和無氧代謝之間的轉(zhuǎn)變。此外，汗液葡萄糖水平與血糖水平呈現(xiàn)高度相關(guān)關(guān)系，從而實(shí)現(xiàn)無創(chuàng)血糖檢測。因此，汗液非常適合在日常生活甚至運(yùn)動中對人體功能進(jìn)行無創(chuàng)實(shí)時監(jiān)測。

汗液中K?、Na?、乳酸和葡萄糖的檢測在各個領(lǐng)域都有廣泛的應(yīng)用，包括監(jiān)測糖尿病和腎病等慢性疾病的病程和治療，評估運(yùn)動表現(xiàn)和體力消耗，以及在藥物開發(fā)和臨床試驗(yàn)中進(jìn)行藥代動力學(xué)評估。此外，汗液分析對監(jiān)測飛行員和宇航員等處于關(guān)鍵位置的個人的日常生理指標(biāo)具有重要價值。在這樣的應(yīng)用場景中，實(shí)時、長期、可靠的汗液監(jiān)測至關(guān)重要，這導(dǎo)致可穿戴形式在汗液檢測中占據(jù)主導(dǎo)地位。然而，持續(xù)的實(shí)時汗液監(jiān)測不僅需要精確和實(shí)時的傳感器，還需要具有人體工程學(xué)設(shè)計的可穿戴設(shè)備，以確保長期穿著舒適。因此，實(shí)現(xiàn)全系統(tǒng)彈性是實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)的關(guān)鍵因素。

現(xiàn)有的研究通常側(cè)重于傳感設(shè)備或采集組件的部分彈性，忽略了在整個系統(tǒng)中實(shí)現(xiàn)彈性和拉伸可靠性的挑戰(zhàn)。大多數(shù)智能穿戴設(shè)備采用柔性印刷電路板（FPCB）作為芯片的互連電路。然而，F(xiàn)PCB的缺點(diǎn)是它只能彎曲，不能拉伸。此外，F(xiàn)PCB表現(xiàn)出高剛性，并且在不規(guī)則的拉伸或彎曲力下容易損壞?？朔@些限制并實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)彈性和拉伸可靠性是可穿戴汗液檢測領(lǐng)域的關(guān)鍵研究目標(biāo)。此外，讓系統(tǒng)里的汗水保持新鮮，也是現(xiàn)場高精度實(shí)時監(jiān)控的關(guān)鍵。以前的可穿戴汗液檢測系統(tǒng)通常利用親水和多孔材料來收集汗液。

然而，吸水材料通常難以有效排出收集的汗液，導(dǎo)致檢測精度降低，難以長期可持續(xù)使用。盡管最近的研究已經(jīng)探索了使用流體動力學(xué)優(yōu)化的通道結(jié)構(gòu)來促進(jìn)汗液的收集和排出。這些努力略微改善了設(shè)備內(nèi)的汗液流速。然而，提高汗液收集、運(yùn)輸和排出的效率以持續(xù)保持傳感器處汗液的新鮮度仍然具有挑戰(zhàn)性。

為了解決以上挑戰(zhàn)，近期，來自上海交通大學(xué)的研究人員在Small期刊上發(fā)表了題為“A Fully Elastic Wearable Electrochemical Sweat Detection System ofTree-Bionic Microfluidic Structure for Real-Time Monitoring”的論文，提出了一種名為“Sweatree”的全彈性可穿戴電化學(xué)汗液檢測系統(tǒng)。

“Sweatree”系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及應(yīng)用

該系統(tǒng)集成了汗液采集微流控芯片、多參數(shù)電化學(xué)傳感器、微加熱器和汗液檢測彈性電路板系統(tǒng)。微流控芯片獨(dú)特的樹狀仿生結(jié)構(gòu)顯著提高了新鮮汗液的收集和排出效率，實(shí)現(xiàn)了電化學(xué)傳感器的實(shí)時檢測。汗液多參數(shù)電化學(xué)傳感器可對K?、Na?、乳酸和葡萄糖進(jìn)行高精度和高靈敏度的測量。此外，該電子系統(tǒng)構(gòu)建在一塊彈性電路板上，可以與褶皺的皮膚完美貼合，確保了穿著舒適性，并實(shí)現(xiàn)了多通道數(shù)據(jù)采樣、處理和無線傳輸。

圖2 “Sweatree”系統(tǒng)中微流控芯片的結(jié)構(gòu)、工作原理和性能測試

圖3 超薄多參數(shù)彈性電化學(xué)傳感器的圖像、組件、電極修飾、掃描電子顯微鏡（SEM）表征和性能測試

圖4 超薄微型加熱器的圖像、結(jié)構(gòu)和性能測試

圖5汗液檢測彈性電路板系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)圖、測試圖像以及疲勞和性能測試

圖6 “Sweatree”系統(tǒng)的模擬測試和人體運(yùn)動監(jiān)測

總而言之，這種最先進(jìn)的系統(tǒng)代表了彈性可穿戴汗液檢測領(lǐng)域的重大進(jìn)步，并具有將其功能擴(kuò)展到其他汗液標(biāo)記物或各種可穿戴應(yīng)用的檢測的潛力。

審核編輯：劉清