汗液是一類有吸引力的生物體液，可用于體內(nèi)化學(xué)物質(zhì)的無創(chuàng)監(jiān)測(cè)。汗液中含有豐富的與生理健康狀態(tài)相關(guān)的生物標(biāo)志物，包括電解質(zhì)、代謝物、激素、蛋白質(zhì)和外源性藥物等。研究表明，對(duì)這些生物標(biāo)志物以及其它汗液生物標(biāo)志物的間歇性或連續(xù)評(píng)估，可以提供對(duì)身體代謝過程的時(shí)間動(dòng)態(tài)研究，從而廣泛應(yīng)用于運(yùn)動(dòng)表現(xiàn)評(píng)估以及醫(yī)學(xué)診斷等領(lǐng)域。傳統(tǒng)的汗液收集方法是借由條帶將吸收墊或微孔管壓在表皮上，并在汗液從皮膚中流出時(shí)，將汗液收集起來。這些收集方法需要訓(xùn)練有素的人員、特殊的處理方法和昂貴的實(shí)驗(yàn)室設(shè)備，無法實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)汗液分析，并且容易導(dǎo)致樣品污染或丟失。

柔性微流控、傳感技術(shù)和電子學(xué)的最新進(jìn)展為一類獨(dú)特的類皮膚表皮微流控（“epifluidic”）系統(tǒng)的發(fā)展奠定了基礎(chǔ)。表皮微流控系統(tǒng)通過微流控網(wǎng)絡(luò)的固有封裝和保形皮膚界面，可以消除外部樣品污染。制造芯片實(shí)驗(yàn)室（lab-on-chip）微流控器件的一種常見的、成熟的工藝是軟光刻工藝，其需要高精度的模具來構(gòu)建基于彈性體材料的離散、有圖案的層（例如聚二甲基硅氧烷（PDMS）），將這些層粘合在一起，就會(huì)構(gòu)成一個(gè)密封的器件。常規(guī)情況下，生產(chǎn)具有足夠特征分辨率（>20 μm）的模具需要昂貴且耗時(shí)的加工方法（微加工和微銑削），并且需要專門的無塵室環(huán)境。這些要求導(dǎo)致了器件設(shè)計(jì)周期的延長(zhǎng)，用于創(chuàng)新的設(shè)備不易獲取，以及由于不適用大規(guī)模制造而給商業(yè)部署帶來的額外挑戰(zhàn)。

增材制造（AM）或三維（3D）打印代表了傳統(tǒng)平面（2D）制造方法的一種有吸引力的替代方案。通過快速擴(kuò)展的打印方法庫，增材制造具備生產(chǎn)具有真正3D架構(gòu)復(fù)雜對(duì)象的強(qiáng)大功能。一般來說，可穿戴系統(tǒng)設(shè)計(jì)必須解決皮膚機(jī)械性能與剛性平面器件組件之間固有的不匹配問題。柔性材料化學(xué)的最新進(jìn)展為3D打印方法用于可穿戴設(shè)備制造奠定了基礎(chǔ)。然而，由于適合打印高分辨率微流控器件的主要材料化學(xué)成分（即甲基丙烯酸酯基樹脂）的楊氏模量很高，因此利用3D打印方法制造表皮微流控器件仍然很受限制。目前制造皮膚界面3D打印微流控器件的努力方向是使用替代打印方法，例如，熔融沉積建模法和直接墨水書寫法等，這些方法支持低模量材料的制造，但代價(jià)是打印機(jī)分辨率（>200 μm）。對(duì)于表皮微流控器件而言，理想的制造方案是使用基于樹脂的打印方法來制造具有與傳統(tǒng)方法特征尺寸相當(dāng)?shù)牟⑶揖哂猩锵嗳菪孕螤畹钠骷＿@種方法將用真正的3D器件架構(gòu)改變流體設(shè)計(jì)領(lǐng)域，同時(shí)實(shí)現(xiàn)快速、迭代的設(shè)計(jì)過程，促進(jìn)個(gè)性化器件定制，并降低小批量生產(chǎn)的成本。

據(jù)麥姆斯咨詢報(bào)道，近期，來自美國夏威夷大學(xué)（University of Hawaii）的研究人員報(bào)道了一種“集汗器（Sweatainer）”系統(tǒng)，該系統(tǒng)引入了一種增材制造方法來制造表皮微流控器件，以用于收集和分析汗液。該增材制造方法可以實(shí)現(xiàn)微流控通道和流體控制組件（如閥門）的真正3D設(shè)計(jì)。此外，對(duì)打印參數(shù)的詳細(xì)表征和優(yōu)化為制造光學(xué)透明度更高、特征尺寸小于100 μm的微流控器件提供了可行的路徑。相關(guān)研究成果以“Skin-interfaced microfluidic systems with spatially engineered 3D fluidics for sweat capture and analysis”為題，發(fā)表于Science Advances期刊。

Sweatainer系統(tǒng)由一個(gè)由封閉通道和非密封儲(chǔ)層組成的3D打印微流控網(wǎng)絡(luò)、一個(gè)PDMS儲(chǔ)層封蓋層和一個(gè)由超薄生物醫(yī)學(xué)粘合劑制成的襯墊組成。在完成器件的粘合前引入染料或比色測(cè)定，可以分別實(shí)現(xiàn)汗液可視化和氯化物的濃度分析。此外，該系統(tǒng)的一個(gè)關(guān)鍵特點(diǎn)是使用增材制造方法實(shí)現(xiàn)完全3D的單片微流控設(shè)計(jì)，包括復(fù)雜的非平面內(nèi)部通道結(jié)構(gòu)、空間漸變幾何形狀和3D毛細(xì)管爆破閥（CBVs）。毛細(xì)管爆破閥是許多表皮微流控平臺(tái)中汗液生物標(biāo)志物序列分析的關(guān)鍵組成部分。由物理（如汗腺密度）、生理（如運(yùn)動(dòng)和情緒）和外部因素（如溫度和pH）引起的出汗率的時(shí)間動(dòng)態(tài)變化會(huì)導(dǎo)致分析物濃度的相應(yīng)變化。當(dāng)流體壓力低于設(shè)計(jì)閾值（爆破壓力（BP））時(shí)，毛細(xì)管爆破閥可以阻止流體流動(dòng)；當(dāng)流體壓力超過爆破壓力時(shí)，毛細(xì)管爆破閥立即爆破。其中，毛細(xì)管爆破閥的爆破壓力由閥門幾何形狀控制，而無需使用執(zhí)行器或可移動(dòng)組件。與平面毛細(xì)管爆破閥相比，3D制造擴(kuò)展了毛細(xì)管爆破閥的設(shè)計(jì)空間，可以更好地控制由此產(chǎn)生的爆破壓力。同理，空間漸變幾何形狀的設(shè)計(jì)通過允許微流控通道和儲(chǔ)層之間的連續(xù)過渡，可以提高汗液收集效率。

圖1 用于收集和分析汗液的3D打印表皮微流控器件的原理圖和光學(xué)照片

圖2 用于連續(xù)汗液分析的3D毛細(xì)管爆破閥（CBVs）的設(shè)計(jì)

隨后，研究人員使用靜態(tài)騎車的場(chǎng)景研究方法對(duì)Sweatainer系統(tǒng)的汗液檢測(cè)性能進(jìn)行了研究，包括多重樣品收集性能和氯化物濃度的原位比色分析性能。研究結(jié)果表明，所設(shè)計(jì)的Sweatainer系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)原始汗液樣本的多重收集，并降低收集過程中樣本污染的風(fēng)險(xiǎn)。此外，該系統(tǒng)是一種可行的基于比色法的生物標(biāo)志物分析平臺(tái)，其報(bào)告值與現(xiàn)有的臨床方法相當(dāng)。

圖3 Sweatainer系統(tǒng)的場(chǎng)景研究

總體而言，Sweatainer系統(tǒng)為汗液研究提供了一系列可能性，包括遠(yuǎn)程診斷和居家診斷、用于未來臨床研究的生物銀行，以及將汗液分析整合到現(xiàn)有的臨床化學(xué)方法中。此外，利用增材制造方法制備的Sweatainer，可以實(shí)現(xiàn)幾何形狀的定制，并簡(jiǎn)化集成到臨床工作流程中，進(jìn)一步增強(qiáng)了平臺(tái)的潛力，促進(jìn)了超低濃度汗液生物標(biāo)志物的量化。未來的研究將尋求通過設(shè)計(jì)的優(yōu)化，在更劇烈和動(dòng)態(tài)的身體活動(dòng)中，通過開發(fā)能夠支持更廣泛的體力消耗的優(yōu)化設(shè)計(jì)，來研究汗液收集平臺(tái)在臨床應(yīng)用之外的通用性。

審核編輯：劉清