香港城市大学于欣格BMEMat:汗液驱动长期实时的汗液监测的多模态传感器

学术   2024-11-19 08:30   中国  

研究背景


随着健康管理需求的增长,可穿戴设备在监测与健康息息相关的生理指标等方面发展迅速。然而,传感器的电源管理及其与皮肤的界面问题限制了个性化健康和早期疾病检测的进展。最近,香港城市大学于欣格副教授团队介绍了一种多模态汗液监测设备,该设备通过汗液激活电池实现自供电,能够实时显示并进行长期数据分析。该设备集成了先进的比色和电化学传感器阵列,能够测量汗液中的pH值、葡萄糖浓度和氯离子水平,将这些数据储存并通过NFC进行无线数据传输。这种自供电特性和多模式传感功能为汗液代谢生物标志物的实时监测提供了足够的动力支持,用户可以通过智能手机轻松获取健康数据,实现准确和长期的汗液监测。研究集中讨论了汗液驱动的皮肤粘附多模态传感器在长期和实时汗液监测中的最新进展,深入探讨了以下几个关键方面:首先,介绍了自供电汗液激活电池的设计与应用;其次,描述了优化传感器粘附性和稳定性的前沿策略,从而提高监测精度和舒适性;然后,总结了比色和电化学传感器在健康监测中的关键机制;最后,讨论了这一领域当前面临的挑战和未来发展方向。

原文链接: 

https://doi.org/10.1002/bmm2.12124

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本文亮点


1.自供电设计:利用汗液激活电池,实现设备的自供电,无需依赖外部电源,提升了设备的便携性和实用性。
2.多模态传感器集成:设备结合了比色和电化学传感器,能够实时监测汗液中的pH值、葡萄糖浓度和氯离子水平等多种生物标志物,为用户提供全面的健康数据。
3.优异的粘附性能和稳定性:采用聚乙烯醇/蔗糖水凝胶,确保传感器与皮肤的稳固贴合,即使在长时间佩戴和大量出汗的情况下,仍能保持稳定的性能。
4.无线数据传输:通过NFC技术实现数据的实时传输,用户可以通过智能手机便捷地读取和分析健康数据,提升了用户体验。
5.广阔的应用前景:该设备在个性化健康监测和疾病早期检测中具有巨大潜力,能够为运动健身、营养管理和高精度医疗提供支持。

图文导读


图1. 汗液电池驱动的双模式汗液监测系统的示意图和实物图像。


图2. 水凝胶、电传感器和比色传感器的特性。


图3. 汗液电池的性能表征。


图4. 体表汗液监测与无线数据传输性能。


总结与展望


本研究采用了多模态检测方法,结合比色和电化学技术,监测汗液中的葡萄糖、pH值和氯离子等生物标志物。设备由汗液激活电池(SABs)供电,具有优良的柔性和生物相容性,能够与可穿戴设备无缝、安全集成。由于汗液的持续分泌,使SABs非常适合进行连续和长期监测。此外,水凝胶比色传感器的加入,使系统能够提供生物标志物水平的可视化指示,通过比较分析增强了汗液成分的实时反馈。电化学检测则允许对汗液进行全面分析,为持续健康监测奠定了坚实基础。与其他体积较大的蓝牙电池系统相比,文章提出的系统提供了一种更便捷、长期且节能的汗液浓度分析方法。它支持多种监测模式,提高了连续监测的效率和操作周期。此外,NFC技术和手机软件设计使系统在日常生活中具有高度实用性和前景。通过整合基于SABs的比色和电信号分析,该研究的系统实现了多模态、快速反馈和长期汗液监测。
尽管本文的系统在汗液监测技术方面取得了显著进展,但也存在潜在的局限性和挑战。随着时间推移,电化学传感器的灵敏度可能下降,影响生物标志物检测的准确性和可靠性。此外,作为比色平台关键的水凝胶组件,可能在不同环境条件下出现稳定性问题,影响系统响应。除此之外,数据隐私也是一个关键问题;NFC技术和移动连接的加入需要强有力的安全措施来保护敏感健康数据。为了成功实施和扩大这项技术,必须在材料创新、数据安全协议增强和成本效益制造工艺开发方面取得进展。这些进步对满足用户在现实环境中的多样化需求至关重要。


作者简介


于欣格 副教授

通讯作者

香港城市大学

现任香港城市大学数码医学研究院副院长及香港心脑血管健康工程中心副主任,香港青年科学院院士。曾获RGC Research Fellow,35岁以下创新者(MIT TR35 China),斯坦福大学终身前2%被引科学家等荣誉。研究专注于可穿戴电子在VR和生物医学的应用。是《IEEE Open Journal of Nanotechnology》的执行主编、《Microsystem & NanoEngineering》、《Bio-Design and Manufacturing》等期刊的副主编和编辑委员会成员。在《Nature》、《Nature Materials》、《Nature Electronics》等杂志上发表论文190篇,申请/授权专利50项。


黄雅 研究员

通讯作者

香港城市大学

于2015年获清华大学材料科学与工程专业学士学位,2020年获博士学位,现任香港城市大学生物医学工程系研究员。目前主要研究方向为可穿戴式触觉反馈系统和小型化电刺激装置。迄今为止,在Nature Electronics,Science Advances等知名期刊上发表论文40余篇。


贺鑫馨

第一作者

香港城市大学

于2019年获得香港城市大学的学士学位,目前在香港城市大学于欣格研究组攻读硕士学位,研究方向包括汗液电池和汗液传感器。


期刊介绍






BMEMat《生物医学工程材料(英文)》是由山东大学主办,山东大学科技期刊社与Wiley出版社合作出版,山东大学晶体材料国家重点实验室(研究院)承办,山东产业技术研究院协办的国际化英文科技期刊。2022年成功入选中国科技期刊卓越行动计划高起点新刊项目,2023年3月BMEMat 正式创刊,已被DOAJ、INSPEC、SCOPUS、ESCI数据库收录,创刊前三年 (2023-2025) 所接收的文章均无需缴纳文章出版费 (Article Publication Charges)。

刊发生物医用工程材料领域的最新和高影响力的原创性和综述性论文,接收稿件范围包括但不限于

  • 人工智能与微纳机器人

  • 组织工程与再生医学

  • 生物电子与生物传感

  • 生物成像与体外诊断

  • 分子医学与纳米医学

  • 药物缓释与肿瘤治疗

  • 基因递送与细胞调控

  • 免疫调控与纳米疫苗等


投稿系统:wiley.atyponrex.com/journal/BMM2


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