95后海南女生研發(fā)迷你汗液傳感器，可代替醫(yī)院血液檢查，還可在長(zhǎng)時(shí)間內(nèi)逐漸持續(xù)釋放營(yíng)養(yǎng)素

吳奕欣自海南省?？谑小１究凭妥x于清華大學(xué)材料科學(xué)工程系，后進(jìn)入美國(guó)西北大學(xué)同一專業(yè)攻讀直博，目前是博士五年級(jí)，主要研究汗液傳感器和可植入式腦神經(jīng)腦刺激，畢業(yè)后打算去業(yè)界工作。

11 月 7 日，相關(guān)論文以《一種皮膚界面、微型微流控分析和輸送系統(tǒng)，用于比色測(cè)量汗液中的營(yíng)養(yǎng)素和通過(guò)皮膚提供的維生素的供應(yīng)》（A Skin-Interfaced, Miniaturized Microfluidic Analysis and DeliverySystem for Colorimetric Measurements of Nutrients in Sweat and Supply ofVitamins Through the Skin）為題發(fā)表在 Advanced Science 上。吳奕欣為共同第一作者，她的同學(xué)欒海文也參與了該研究。
該研究主要是做營(yíng)養(yǎng)成分、維生素和微量離子的監(jiān)測(cè)，同時(shí)還制備了維生素 C 和維生素 D 離子遞送的****物遞送貼片。
此前檢測(cè)方法一般是去醫(yī)院抽血，如果檢測(cè)結(jié)果不好往往再服用一些****物，這一方法既得花錢(qián)、又要耗時(shí)。而該研究的目的，是希望通過(guò)一種成本較低、使用較便捷的方式，讓健康檢測(cè)更方便地進(jìn)行，同時(shí)還可根據(jù)檢測(cè)結(jié)果來(lái)進(jìn)行營(yíng)養(yǎng)補(bǔ)給。
研究中，她研發(fā)出一種皮膚界面、微型微流體分析和輸送系統(tǒng)，可通過(guò)比色法測(cè)量汗水中營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)、以及體內(nèi)維生素供應(yīng)量，比色法的英文名叫 colorimetry，指的是通過(guò)比較、或測(cè)量有色物質(zhì)溶液顏色深度，來(lái)確定待測(cè)組分含量的方法。

在維持核心生理功能和預(yù)防疾病上，營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)起著關(guān)鍵作用。研發(fā)營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)及其濃度的檢測(cè)技術(shù)，有助于確保營(yíng)養(yǎng)平衡。
如前文所述，此前最準(zhǔn)確的檢測(cè)方法，是直接篩查血液中的生物標(biāo)志物，但這種測(cè)試只能不定期地進(jìn)行，而且必須先到抽血，然后進(jìn)行實(shí)驗(yàn)室分析。

比較理想的替代方法，是只需使用一類可被頻繁無(wú)創(chuàng)采集的生物液體，來(lái)監(jiān)測(cè)營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)。
在各種可被無(wú)創(chuàng)采集的生物液體中，小汗腺汗液很有趣，與唾液和眼淚不同，它可使用安裝在全身幾乎任何位置的柔性微流體芯片器件進(jìn)行原位收集和分析，在測(cè)量上具備可重復(fù)性、原始性和使用量較少等優(yōu)點(diǎn)。

與此同時(shí)已有研究證明，汗液中含有許多與生理健康狀況相關(guān)的生化標(biāo)志物，比如微量營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)、激素、電解質(zhì)和代謝物等。

之前的研究顯示，對(duì)受試者的體內(nèi)測(cè)試顯示，汗液中的營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)濃度、與血液中的營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)濃度，呈現(xiàn)出時(shí)間動(dòng)態(tài)相關(guān)性。因此，汗液檢測(cè)也可促進(jìn)人類的個(gè)性化飲食選擇。

整個(gè)設(shè)備是一個(gè)柔軟的橢圓形，主要依賴低模量的彈性體材料制備而來(lái)，并使用軟光刻和激光燒蝕技術(shù)，對(duì)設(shè)備進(jìn)行圖案化設(shè)計(jì)和模壓處理。
設(shè)備底層由摻雜白色顏料的聚二甲基硅氧烷（PDMS）、以及具有浮雕特征的微流體結(jié)構(gòu)組成。其中，聚二甲基硅氧烷的透明蓋層厚度大約 200μm，它不僅能用來(lái)密封系統(tǒng)，同時(shí)增強(qiáng)可穿戴設(shè)備的機(jī)械強(qiáng)度。
打印在該圖案薄膜上的彩色參考標(biāo)記，來(lái)源于從設(shè)備的數(shù)字圖像中定量提取的顏色信息，從而無(wú)需依賴環(huán)境照明的色溫。

它的尺寸為 10mm × 5mm，包含被動(dòng)微閥、四組一樣的微通道網(wǎng)絡(luò)和微容器等部件。每個(gè)微容器都有一種比色化學(xué)試劑，用于檢測(cè)一種關(guān)鍵營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)的濃度，比如維生素 C 、鈣、鋅和鐵等。
研究中，吳同學(xué)使用 3M 公司的橢圓形醫(yī)用級(jí)粘合劑，它的開(kāi)口可在汗液從皮膚表面冒出時(shí)，在設(shè)備底座和皮膚之間建立密封且穩(wěn)定粘合劑界面。

在人體小汗腺產(chǎn)生的大約 70kPa 的壓力下，以及微通道網(wǎng)絡(luò)中被動(dòng)毛細(xì)血管爆裂閥（CBV）的聯(lián)合作用，微容器可以充滿汗液。

這些被動(dòng)毛細(xì)血管爆裂閥，可以連接微流體通道和出口，從而引導(dǎo)汗液進(jìn)入測(cè)試微容器, 同時(shí)防止過(guò)量汗液干擾容器中的傳感過(guò)程。

下圖是一張微型汗液微流控裝置的圖像，將含有相關(guān)維生素的貼片釋放到皮膚表面，它們就會(huì)被動(dòng)地?cái)U(kuò)散到真皮層的毛細(xì)血管床，隨后擴(kuò)散到整個(gè)血液中。

貼片內(nèi)部還含有各種化學(xué)增強(qiáng)劑，可通過(guò)改變角質(zhì)層的脂質(zhì)結(jié)構(gòu)，來(lái)增加皮膚的通透性。

它可從視覺(jué)上來(lái)提醒用戶營(yíng)養(yǎng)平衡不足，從而讓人們揭開(kāi)營(yíng)養(yǎng)貼片的阻隔層，以便啟動(dòng)釋放過(guò)程。

吳同學(xué)表示，此次提出這種可貼在皮膚界面的柔性微流控系統(tǒng)，具備傳感能力和傳輸能力?？梢栽诟鞣N環(huán)境下監(jiān)測(cè)和輸送維生素 C、鈣、鋅和鐵，不需要電子硬件支持比如電池和無(wú)線通信系統(tǒng)，具有簡(jiǎn)單、低成本、毫米級(jí)等優(yōu)勢(shì)。小巧美觀的的結(jié)構(gòu)也讓穿戴非常舒適和時(shí)尚。
具體來(lái)說(shuō)，使用簡(jiǎn)單的比色法，即可監(jiān)測(cè)汗液中的營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)，當(dāng)汗液從皮膚表面通過(guò)微通道和被動(dòng)閥門(mén)結(jié)構(gòu)后，即可被收集在單獨(dú)的微尺度儲(chǔ)層中。當(dāng)你戴上可與微流控系統(tǒng)集成的透皮貼片后，即可在整個(gè)佩戴期間，持續(xù)將相關(guān)物質(zhì)輸送到體內(nèi)。將測(cè)量結(jié)果與傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)室分析方法進(jìn)行比較，證明了該平臺(tái)的準(zhǔn)確性和可靠性。

與口服維生素片相比，使用貼片型平臺(tái)、并經(jīng)過(guò)皮膚來(lái)傳遞營(yíng)養(yǎng)素的關(guān)鍵優(yōu)勢(shì)是，可在長(zhǎng)時(shí)間內(nèi)逐漸、持續(xù)地釋放。

為測(cè)試該設(shè)備的能力，吳同學(xué)與其合作者找來(lái)七位志愿者參與實(shí)驗(yàn)。在攝入營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)之前，先讓他們通過(guò)移動(dòng)桑拿收集汗水，然后在受試者的胸部、手臂或背部貼上營(yíng)養(yǎng)貼片。
在另一天，讓這些受試者口服營(yíng)養(yǎng)素補(bǔ)充劑，其中經(jīng)皮注射和口服給****均于上午 8 點(diǎn)左右開(kāi)始。


在給****后的 1、2、4、8、12 和 24 小時(shí)內(nèi)，吳同學(xué)與合作者們分別對(duì)汗液中的營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)濃度進(jìn)行測(cè)量。

對(duì)人體受試者的評(píng)估重點(diǎn)，是監(jiān)測(cè)使用營(yíng)養(yǎng)貼片和口服復(fù)合維生素補(bǔ)充劑后 24 小時(shí)內(nèi)汗液營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)的濃度。
通過(guò)透皮途徑給****，這些營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)在汗液中的濃度相對(duì)穩(wěn)定，相對(duì)于口服給****而言，突然增加的概率降低。

對(duì)于經(jīng)皮給****來(lái)說(shuō)，最初的低基線濃度迅速增加 1.3 倍，其中鈣增加 1.4 倍，鐵增加 1.2 倍，應(yīng)用貼片 4 小時(shí)后增加 2.1 倍。

在 8 小時(shí)后，相關(guān)物質(zhì)的濃度達(dá)到最大值以下，但在口服給****后的同一時(shí)間點(diǎn)仍高于濃度。在口服病例中，維生素C的峰值濃度比基線水平高出 1.73 倍，鈣高出 1.87 倍，鋅高出 1.48 倍，鐵高出 2.73 倍。

這些行為與此前其他學(xué)者發(fā)表的口服劑量后血漿濃度的****代動(dòng)力學(xué)報(bào)告文件相似，所有志愿者的汗液濃度達(dá)峰時(shí)間、以及濃度在體內(nèi)變?yōu)樵紳舛纫话氲臅r(shí)間，均與血漿相似。

這些結(jié)果表明，汗液化學(xué)至少在半一定程度上與這些物種的等離子體化學(xué)相關(guān)，并且這種行為與營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)快速局部進(jìn)入血液是一致的，即都是通過(guò)血液循環(huán)誘導(dǎo)的全身運(yùn)輸。
此外，在追蹤日常生活中不同相關(guān)飲食場(chǎng)景的營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)方面，該研究所涉及的可穿戴技術(shù)也很有效。

對(duì)這種能力的身體評(píng)估，包括監(jiān)測(cè)食用橙汁、維生素水和谷物后汗液中營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)濃度的變化，每一種都含有兩種營(yíng)養(yǎng)成分。

下圖為 7 名人類受試者攝入上述食物前后的測(cè)量結(jié)果，顯示了飲用 300 mL 橙汁后營(yíng)養(yǎng)水平的變化，對(duì)應(yīng)大約攝入量為 63 mg 維生素 C 和 20 mg 鈣。維生素 C 和鈣濃度顯著增加，與預(yù)期一致。鋅和鐵的變化相對(duì)較小，與橙汁中相對(duì)缺失一致。和橙汁一樣，維生素水也不含鐵和鋅；汗中鐵和鋅濃度的變化可以忽略不計(jì)。
另一方面，維生素強(qiáng)化谷物中含有所有可以通過(guò)這些設(shè)備測(cè)量到的營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)。然而，谷物中的維生素 C 含量小于橙汁或維生素水，因此維生素 C 濃度的變化較低。

雖然汗液中每種營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)濃度的變化與攝入量沒(méi)有簡(jiǎn)單的線性關(guān)系，但總體趨勢(shì)是隨著攝入量的增加而增加。這些結(jié)果表明，通過(guò)分析可穿戴的微氟流控平臺(tái)上的汗液，可以無(wú)創(chuàng)地評(píng)估個(gè)性化的營(yíng)養(yǎng)信息。

概括來(lái)說(shuō)，營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)的濃度的監(jiān)測(cè)及其了解在口服和經(jīng)皮給****后的其濃度的動(dòng)態(tài)變化，可以即時(shí)為營(yíng)養(yǎng)平衡起到指導(dǎo)性作用。

結(jié)果表明，具有集成比色法的可穿戴汗液微流控系統(tǒng)，可產(chǎn)生與營(yíng)養(yǎng)平衡直接相關(guān)的個(gè)性化數(shù)據(jù)，這對(duì)改善用戶健康具有重要意義。
因此該設(shè)備可作為一種即時(shí)反饋工具，來(lái)給用戶的健康飲食選擇、以及該服用哪種膳食補(bǔ)充劑做出指導(dǎo)。

這些材料和制造方法，有望支持大批量生產(chǎn)，從而降低成本，以便在更廣泛的場(chǎng)景中鋪開(kāi)。

吳同學(xué)的長(zhǎng)遠(yuǎn)愿景，是希望一切檢測(cè)都能在家進(jìn)行，同時(shí)也希望能擴(kuò)大監(jiān)測(cè)范圍，實(shí)現(xiàn)檢測(cè)更多微量元素、氨基酸等有利于身體健康的監(jiān)測(cè)等。
此外，她還希望能結(jié)合其他****物遞送方式來(lái)補(bǔ)充營(yíng)養(yǎng)，或者跟醫(yī)院相結(jié)合。當(dāng)快速檢測(cè)發(fā)現(xiàn)疾病相關(guān)化生物標(biāo)記在非正常范圍，可讓患者盡快在醫(yī)院進(jìn)行更仔細(xì)的檢查和治療。
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支持：熊岳城

參考：
1、J. Kim, Y. Wu, H. Luan, D. S. Yang, D. Cho, S. S.Kwak, S. Liu, H. Ryu, R. Ghaffari, J. A. Rogers.Adv. Sci. 2021, 2103331