可穿戴生物传感器：女性荷尔蒙监测系统

乐活 2024-11-01 20:17 江苏

这个文章是我囤了比较久的，感觉是非常有意思的，而且也有一些商业前景。

个性化监测女性激素（例如雌二醇）对生育和女性健康具有重要意义。然而，现有的方法通常需要侵入性抽血和/或笨重的分析实验室设备，因此很难在家中实施。

一次性传感器

基于靶标诱导链置换的皮肤界面可穿戴适体纳米生物传感器，可通过原位汗液分析自动、非侵入性地监测雌二醇。无试剂、无扩增和“信号开启”检测方法与基于金纳米粒子-MXene 的检测电极相结合，可提供非凡的灵敏度，检测限超低至 0.14 pM。

该系统包含一个微流体离子电渗模块，用于在静息状态下自主诱导汗液和采样（无需剧烈运动）、一个电位法 pH 传感器、一个电阻式皮肤温度传感器和一个阻抗法离子强度传感器，用于实时传感器校准（以减轻个体之间和/或个体内差异的影响），以及用于信号处理和无线通信的电子电路。微型可穿戴系统设计为机械柔性且符合人体皮肤。

该完全集成的系统能够通过离子电渗疗法在静息状态下自主诱导汗液，通过毛细管爆破阀控制精确的微流体汗液采样，实时分析和校准雌二醇，同时收集多变量信息（即温度、pH 值和离子强度），以及信号处理和与用户界面（例如智能手机）的无线通信。

我通俗的解释一下原理：

基于竞争性氧化还原探针置换和重新捕获的无试剂电化学适体传感器示意图

想象一下，我们有一个很小的、柔性的贴片，上面有很多小小的“锁”。这些“锁”是用一种特殊的分子（适体）做成的，这种分子只对雌二醇（一种女性激素）有很强的“亲和力”，就像钥匙和锁一样，只有雌二醇才能打开这个“锁”。

在每个“锁”旁边，还连着一根很短的“绳子”，绳子的另一端挂着一个“小球”（亚甲蓝）。当没有雌二醇的时候，“锁”和“绳子”紧紧地扣在一起，就像一个闭合的圈。

当我们把这个贴片贴在皮肤上，如果汗液中含有雌二醇，雌二醇就会找到对应的“锁”并打开它。这时，“绳子”上的“小球”就会被释放出来。这些被释放的“小球”会产生一个电信号，这个信号就可以被仪器检测到。

通过测量这个电信号的强度，我们就可以知道汗液中雌二醇的含量。

整个过程就像是一个小小的“分子开关”，雌二醇就是开关的钥匙。当雌二醇出现时，开关打开，产生信号，我们就能检测到它。

再看看理论的解读：

1. 适体-ssDNA-MB-ssDNA 三元复合物设计：

雌二醇适体与ssDNA的结合，形成稳定的杂交双链。
MB-ssDNA与上述双链部分杂交，形成竞争性的结合。
雌二醇的加入，使得适体优先与雌二醇结合，导致MB-ssDNA释放。

2. AuNPs-MXene复合材料的应用：

AuNPs提供丰富的结合位点，用于固定生物分子。
MXene的高导电性，显著增强了电化学信号的传导。
复合材料的协同作用，提高了传感器的灵敏度。

3. 无试剂“信号开启”设计：

雌二醇的存在直接导致电化学信号的增强，无需额外添加试剂。
降低了背景噪声，提高了检测的灵敏度。

4. SWV电化学检测：

SWV具有高灵敏度和高分辨率的特点，适用于低浓度物质的检测。
通过测量亚甲蓝的氧化还原峰，定量分析雌二醇浓度。

适体识别： 利用雌二醇特异性DNA适体实现对雌二醇的高选择性识别。
AuNPs-MXene复合材料： 增强电子传输效率，提高检测灵敏度。
微流体系统： 自主诱导汗液，实现实时监测。
多传感器集成： 结合pH传感器、温度传感器和离子强度传感器，实现实时校准。

下面是这个系统的工作原理：

适体识别： 当传感器接触汗液时，雌二醇与适体结合，导致标记有亚甲蓝的ssDNA释放。
信号捕获： 释放的ssDNA被检测电极上的互补DNA捕获。
电化学检测： AuNPs-MXene增强亚甲蓝的氧化还原信号，实现高灵敏度检测。

该柔性传感器包含一个生物识别界面，该界面用雌二醇选择性脱氧核糖核酸 (DNA) 适体修饰，面向基于金纳米粒子-MXene (AuNPs-MXene) 的检测工作电极，该电极用捕获单链 DNA (ssDNA) 修饰，用于间接靶标检测。这些平行面充当微流体储液器的壁，并通过汗液填充桥接。

当传感器暴露于汗液等体液中时，雌二醇分子竞争性地与雌二醇适体结合，导致氧化还原探针亚甲蓝标记的 ssDNA (MB-ssDNA) 分子从生物识别界面释放，然后通过互补 DNA 杂交被相反的检测工作电极捕获。通过检测 AuNPs-MXene 工作电极上的亚甲蓝氧化还原信号，实现了灵敏和选择性的雌二醇定量。

AuNPs-MXene 的使用提高了亚甲蓝还原的电子传输效率，使检测分析具有超高灵敏度。这种纳米工程传感器贴片可以通过使用定制开发的纳米材料墨水的喷墨打印以低成本大规模生产。之所以选择Ti3C2TxMXene ，是因为它在溶液处理的二维材料中表现出最高的导电性，并且具有可用于油墨配制和防污的表面亲水性。

女性荷尔蒙影响着女性的方方面面，从月经到怀孕到更年期等等（比如抑郁）。它们受下丘脑-垂体-卵巢轴的反馈机制调节，该机制控制着与生殖活动有关的所有女性荷尔蒙事件。雌二醇是女性荷尔蒙雌激素的主要形式，也是育龄期最强大、最常见的女性荷尔蒙。

在月经周期中，雌二醇向下丘脑-垂体-卵巢轴提供反馈，以调节黄体生成素的产生和排卵。除了在性发育中发挥重要作用外，它还显著影响男性和女性的主要器官，包括血管、骨骼、肌肉和大脑。因此，雌二醇监测在人类从摇篮到坟墓的整个生物学过程中都具有重要意义，是不孕症管理以及一般生理监测的重要组成部分。与基于基础体温计或尿液黄体生成素的其他生育力监测替代方法相比，血清雌二醇提供的信息最及时、最准确。此外，血清雌二醇分析是监测促性腺激素诱导排卵的金标准；常规雌二醇监测对更年期妇女和接受激素替代疗法的个体起着至关重要的作用。

a、女性荷尔蒙在女性健康中发挥着重要作用；使用皮肤界面的可穿戴传感器通过汗液分析实现雌二醇的无创监测：（i）卵泡期；（ii）排卵期；（iii）黄体期。GnRH，促性腺激素释放激素；LH，促黄体激素；+，刺激作用；-，抑制作用。

b 、使用 AuNPs-MXene 传感器与靶诱导链置换适体开关耦合，实现雌二醇的无试剂原位定量。

i 至 iv 代表适体在生物识别界面上识别雌二醇分子

（i）、靶标识别诱导的链置换释放 MB-ssDNA

（ii）、工作电极（WE）上的 SH-ssDNA 重新捕获释放的 MB-ssDNA（iii）以及工作电极上从重新捕获的 MB-ssDNA 中对亚甲蓝进行电化学定量

（iv）。CE，对电极；RE，参比电极。

c 、 d 、用于通过离子电渗疗法自动诱导汗液、通过 CBV 精确采样和基于无试剂适体的雌二醇分析的灵活无线微流体可穿戴贴片的示意图（c）和分层设计（d）。

第 I 至 VII 部分代表与 FPCB（I）、喷墨打印传感器阵列（II）、载有卡巴胆碱的水凝胶（carbagels）（III）、微流体通道（IV）、生物识别界面（V）、汗液积聚层（VI）和皮肤（VII）接口的塑料基板。

e 、f 、一次性传感器贴片（e）和戴在手指上用于女性激素监测的完全集成的无线可穿戴贴片（f）的照片。比例尺，1 厘米。

微流控系统

传感器贴片

汗液诱导：甲基胆碱凝胶通过离子电渗疗法刺激汗腺分泌。
汗液收集：诱导出的汗液通过微流体通道进入传感槽。
雌二醇检测：汗液中的雌二醇与传感器上的识别元件结合，产生电化学信号。
pH和离子强度测量：pH传感器和离子强度传感器分别测量汗液的pH值和离子强度。

a、用于自动生殖激素分析的多路复用微流体传感器贴片示意图。IMP，阻抗离子强度传感器的电极。

b 、c、示意图（b）和光学图像（c ）显示 CBV 调节的原位汗液采样过程的各个阶段，以实现自动雌二醇分析：汗液通过入口进入（i）、汗液收集在储液器中（ii）、雌二醇识别和分析（iii）和汗液通过出口流出（iv）。比例尺，2.5 毫米。

d，e，在实验室微流体测试中使用含有0、1、5、10、20、40、60、80 和 100 pM 雌二醇的人造汗液（0.2× PBS，pH 7.4），适体雌二醇传感器的 SWV 伏安图（d ）和基于峰值电流高度（ e ）的相应校准图。误差线表示三个传感器的平均值的标准差。

f ，人造汗液（0.2× PBS）中 pH 传感器的电位响应和相应的校准图（插图）。

g，人造汗液（0.2× PBS，pH 7.4）中离子强度传感器的阻抗响应和相应的校准图（插图）。

h，可穿戴电子系统的框图。IP，离子电渗疗法；GPIO，通用输入和输出；SPI，串行外设接口；Soc，片上系统。

i、具有高机械灵活性的完全集成可穿戴系统的光学图像。比例尺，1 厘米。

使用 Eagle CAD 和 Fusion 360 创建了两层的 FPCB。

FPCB 呈矩形（13 × 46 mm 2），可以缠绕在手指状戒指上。

FPCB 的电子系统包括用于电源管理的电压调节器（ADP162，Analog Devices）；用于离子电渗汗液诱导的升压转换器（TPS61096，Texas Instruments）、双极结型晶体管阵列（BCV62C，Nexperia）和模拟开关（DG468，Vishay Intertechnology）；用于传感器接口的 AFE（AD5941，Analog Devices）和运算放大器（LPV811，Texas Instruments）以及通过 PSoC Creator v.4.3 编程的 BLE 模块（CYBLE-222014-01，Cypress Semiconductor），用于控制系统和实现无线通信。通过其通用输入和输出引脚，BLE 模块启动流过离子电渗电极的电流以刺激汗液。

离子电渗疗法装置设计为在皮肤上施加 55 µA 电流，顺从电压为 18 V，因此它可以在各种皮肤阻抗下工作。此外，电流通过开关并与电化学 AFE 内的跨阻放大器连接，以监测离子电渗疗法期间施加的电流，并在电流源发生故障并施加超过 55 µA 的电流时关闭电流。

刺激后，BLE 模块控制 AFE 执行电位法、阻抗法和 SWV 等电化学技术来获取传感器数据。在 AFE 的内部存储器中积累了一定数量的传感器数据后，AFE 中断 BLE 模块以获取传感器数据并将其传输到定制的移动应用程序或 BLE 加密狗（CY5677，赛普拉斯半导体）进行数据处理和显示。

j 、适体传感器贴片在x和y轴弯曲测试中的性能。I和I 0分别表示在有和没有机械变形的情况下 SWV 伏安图的峰值电流高度。R、弯曲曲率半径。误差线表示 50 pM雌二醇中十次测量的平均值的标准差。

k 、使用手指佩戴的可穿戴传感器对离子电渗疗法诱导的汗液进行微流体采样的延时图像，用于自动激素分析。比例尺，5 毫米。

基于一次性传感器贴片和可重复使用的柔性印刷电路板（FPCB）的组装，开发了完全集成的可穿戴雌二醇传感系统。FPCB 包含一个用于离子电渗疗法的高顺从电压电流源，可按需提取汗液，以及一个可编程的低功耗蓝牙（BLE）模块，该模块集成了微控制器，用于信号处理和无线通信。为了执行多路复用传感，该集成系统结合了电化学模拟前端（AFE），该前端能够执行多模电化学测量（包括分别用于雌二醇、pH 和离子强度传感的伏安法、阻抗法和电位法）。

此外，它还可以通过 AFE 中的内置温度传感器持续提供皮肤温度信息。在原位汗液分析过程中，获得的 pH、离子强度和皮肤温度水平用于实时校准雌二醇传感器读数。一个完整的测量周期总共消耗大约 1 J；容量为 8 mAh 的可充电 3.8 V 锂纽扣电池可以进行大约 30 次循环。通过探索高效的可穿戴能量收集系统（例如生物燃料电池40和太阳能电池41），可以实现完全自供电的可穿戴系统。

该可穿戴贴片还设计有高度的机械柔韧性，可以与皮肤保形接触。它能够在不同的弯曲半径下保持稳定的传感器响应，使其有望用于日常活动中实用的居家随身监测。当作为“智能戒指”戴在手指上时，该可穿戴系统可以有效地提取和采样汗液，以实时分析雌二醇。考虑到每天抽查雌二醇足以监测月经状况，一次性雌二醇传感器贴片设计加上可重复使用的可穿戴电子系统可以满足在任何给定时间自动、即时和非侵入性雌二醇检测的实际应用需求。必要时，可以通过将多储层 CBV 设计和雌二醇传感器阵列集成到单个传感器贴片中来实现持续的可穿戴雌二醇传感。

a、月经周期内的激素波动。

b 、c、对两名女性参与者的两个月经周期进行连续女性激素监测。尿液黄体生成素 (LH) 水平用商用 LH 试纸试剂盒检测，血清和汗液中的雌二醇水平分别用 ELISA 和适体传感器检测。误差线表示三次测量平均值的标准差。参与者 1 为女性，32 岁 ( b )，参与者 2 为女性，28 岁 ( c )。

d 、人体汗液和血清之间雌二醇水平的相关性 ( n = 51)。虚线表示线性拟合趋势线。

e 、在身上测试期间佩戴无线可穿戴传感器的女性参与者的光学图像。收集到的数据通过无线方式发送到智能手机，并显示在定制开发的移动应用程序中。比例尺，1 厘米。

f – h，使用可穿戴适体传感器在三名女性人类参与者的月经周期的卵泡期 ( f )、排卵期 ( g ) 和黄体期 ( h ) 进行体内多路复用物理化学传感和雌二醇定量，并进行实时传感器校准。参与者 1 为女性，31 岁；参与者 2 为女性，28 岁，参与者 3 为女性，32 岁。温度，温度。

在一个月经周期中，血液中的雌二醇水平会上升和下降两次，它在卵泡中期逐渐增加，并在排卵前达到最高点；然后雌二醇水平在排卵后迅速下降，接着在黄体中期再次上升，在月经周期结束时再次下降。与侵入性和冗长的血液测定相比，使用可穿戴技术分析汗液雌二醇为远程家庭女性激素监测提供了一种极具吸引力的方法。为了验证传感器测得的汗液雌二醇的临床值，对两名健康女性参与者在连续两个月经周期内进行了人体研究，同时监测尿液黄体生成素、体温和血液雌二醇。

结果显示，汗液和血清中的雌二醇水平在排卵前达到峰值，而尿液促黄体激素和体温水平在排卵期间达到峰值，证实了雌二醇具有预测早期排卵的潜力。在所有的月经周期中，汗液和血清中也都观察到了雌二醇的主要和次要升高。这表明汗液雌二醇在月经周期中呈现周期性波动。此外，从初步研究中发现汗液和血液雌二醇水平之间存在很强的相关性系数0.837，这表明汗液雌二醇作为生育和排卵监测的非侵入性生物标志物具有很高的潜力。

https://www.nature.com/articles/s41565-023-01513-0

https://mp.weixin.qq.com/s/CSl7zyYig1VQkPsPaCHjDA

http://mp.weixin.qq.com/s?__biz=MzI2ODUwNTczMw==&mid=2247550052&idx=1&sn=20733a83c1e814f2ad420dc2230fe705

云深之无迹

纵是相见，亦如不见，潇湘泪雨，执念何苦。