Nature Communications | 用于多模式监测和药物输送的皮肤贴

文摘   2025-01-16 19:00   上海  

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系统级可穿戴电子设备需要具有柔韧性,以确保与皮肤的保形接触,但它们还需要集成刚性和笨重的功能组件,以实现系统级功能。作为集成方法之一,折叠集成通过软刚区域分离提供了简化的处理和增强的功能,但到目前为止,它主要应用于电传感和刺激的模态1月14日,韩国大邱庆北科学技术院的研究人员在《自然·通讯》提出了一种一种具有多种模式的无孔异质皮肤贴剂,它通过折叠结构将软区和应变稳健区分开,用于血流动力学和心血管监测,以及用于药物输送。



随着老龄化社会的到来,可穿戴生物医学设备领域迅速发展,突出个性化医疗保健。对于通过可穿戴设备实现以用户为中心的医疗保健,已经以各种方法和可穿戴配置进行了大量研究,例如腕带、电子皮肤、纺织品、微针和隐形眼镜等。这些研究主要集中在有效的生物传感上,以发现生理因素或通过药物递送及时治疗。

用于生理生物传感和自启动治疗实施的智能可穿戴医疗设备被认为是现代个人医疗保健的最终目标。将生物传感系统和药物输送系统整合为闭环系统对于满足个人医疗保健需求和克服被动疗法的局限性至关重要。

然而,要在单个设备中同时实现生物传感和受控药物递送的功能,仍然存在许多挑战。例如,已经开发了自动微针贴片,以响应外部刺激,如热量、机械应变、葡萄糖浓度和缺氧票价。然而,在微针本身中实现传感和药物输送功能在提供复杂的生物识别和确保连续使用方面存在局限性。通过将独立的多路复用生物传感模块与独立的可控给药模块集成,可以克服这些限制,但尚未开发出这样的系统。

图1 用于同时监测和刺激的具有折叠结构的无孔异质贴片的示意图


该研究介绍了一种无线折叠多模态设备 (fMMD),它具有机械隔离的异质结构,能够同时进行生物传感和药物递送。拟议的多模态系统包括基于电和光学模式的血流动力学和心血管健康状态定量信息监测,以及作为化学模式的基于力电动微泵的药物输送系统


图2 fMMD 的设计和机械性能


通过将多种模式(电、光学和化学)与折叠结构相结合,研究者们引入了一个统一的平台,从而实现了多路复用生物传感和按需药物输送。他们在 FPCB 上设计了功能分区的孤岛,通过蛇形互连连接。这种配置不仅确保了抗变形的稳健性,还允许集成各种组件,例如电源管理、通信模块、信号处理单元和药物加载室。通过折叠蛇形 FPCB 并在上下层之间引入应变隔离层,实现了应变稳健性。


图3 带蠕动泵送的按需给药装置的设计和操作


基于力电动微泵的药物输送模块能够以 4 ~ 12 nL/s 的流速实现可持续和可控的输送。对设计参数和施加电压的理论和实验分析证明,流量可调。fMMD 的生物传感功能已通过实时监测血流动力学和心血管健康状态、使用柔性波导进行 PPG 监测和传感器进行 ECG 监测而得到证明。此外,所提出的 fMMD 已经证明了它能够在不同的生理状态下衍生多路复用因子,例如实时 PAT 和 HRV,并根据收集到的信号作为闭环系统触发自我指导的药物递送

图4 基于柔性单片 PDMS 波导的光学表征和生物传感

图5 用于实时多路复用监测和闭环操作的 fMMD 演示


该研究代表了可穿戴医疗保健技术的重大进步,提供了一个能够进行智能监测和干预的闭环平台。利用多路生物传感反馈,药物递送平台可以通过施用抗高血压药物(如硝普钠 (SNP))来适应有针对性的血压调节,从而提高其在管理心血管疾病方面的效用。它的潜在应用不仅限于心血管监测,还包括血糖、疼痛和各种慢性疾病的管理。


文章链接:

https://www.nature.com/articles/s41467-025-55951-6


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