可穿戴電子設(shè)備的最新突破正在徹底改變個性化醫(yī)療和遠(yuǎn)程醫(yī)療的面貌，超越了需要侵入性常規(guī)檢查或癥狀觸發(fā)干預(yù)的傳統(tǒng)方法。作為下一代可穿戴電子產(chǎn)品的有力競爭者，智能紡織品因其柔軟性、滲透性、耐用性和舒適性而引起了廣泛的研究關(guān)注。大量的研究工作一直致力于可穿戴織物電子產(chǎn)品，從跟蹤身體活動期間的生物物理信號擴展到監(jiān)測生物流體中的生化信號。這一演變在分子水平上提供了更具洞察力的生理信息，逐漸模糊了用戶和可穿戴醫(yī)療設(shè)備之間的界限。

汗液是一種有吸引力的生物流體，因其廣泛的可及性、豐富的生化分子信息而受到重視，更重要的是，它是非侵入性的，能夠進行持續(xù)監(jiān)測。生物傳感織物的最新進展已成功應(yīng)用于汗液中的實時生物信號監(jiān)測，包括檢測電解質(zhì)、代謝物、營養(yǎng)素等。高效的汗液采樣標(biāo)志著基于汗液的傳感器朝著可靠的生物標(biāo)志物分析邁出了第一步。盡管如此，久坐不動的人和場景中固有的汗液不可獲取性限制了我們利用這種非侵入性和有見地的分子水平信息來源的能力。盡管已經(jīng)探索了涉及多孔水凝膠和親水性填料的各種策略，但由于分泌率低和樣品稀釋，獲得足夠可靠的生物流體用于傳感器分析仍然具有挑戰(zhàn)性。對特定用戶群體和場景的有限適用性，再加上低分泌率和樣本稀釋，限制了廣泛采用的潛力。或者，離子電滲療法通過表皮電刺激實現(xiàn)主動汗液誘導(dǎo)，以克服特定場景和目標(biāo)人群的局限性，但引起了人們對施加高水平電流刺激引起的疼痛、燒傷和汗液成分失真的擔(dān)憂。此外，目前的生物傳感織物穩(wěn)定性有限，這阻礙了它們通過汗液持續(xù)監(jiān)測健康狀況的能力。因此，通過使用基于織物的電化學(xué)生物傳感器開發(fā)高效、舒適和長期的健康監(jiān)測系統(tǒng)至關(guān)重要，但具有挑戰(zhàn)性。

本文亮點

1. 本工作首先介紹了一種舒適、自主和集成的離子電滲生物傳感紡織系統(tǒng)，該系統(tǒng)具有按需刺激皮膚接口的汗液誘導(dǎo)單元。

2. 該紡織系統(tǒng)使用皮膚界面穩(wěn)定的離子電滲療法水凝膠電極，可增強界面順應(yīng)性并優(yōu)化界面阻抗，消除了傳統(tǒng)離子電滲療法中對高電流刺激的需求。

3. 通過將生物傳感纖維與穩(wěn)定的轉(zhuǎn)導(dǎo)層設(shè)計相結(jié)合，由此產(chǎn)生的生物傳感紡織系統(tǒng)可以連續(xù)收集多生物標(biāo)志物數(shù)據(jù)，包括葡萄糖、乳酸、尿酸和pH值，長達6小時。

圖文解析

圖1. 自主刺激集成織物電化學(xué)生物傳感器示意圖。（a）織物生物傳感系統(tǒng)和主要功能的說明：低電流離子電滲療法汗液誘導(dǎo)和采樣、原位生理信號分析以及無線數(shù)據(jù)傳輸和交互。（b）基于電極-皮膚界面分泌激動劑（卡巴膽堿）離子電滲療法的局部汗液取樣示意圖。（c）與離子電滲療法單元和生物傳感纖維陣列集成的電化學(xué)生物傳感織物系統(tǒng)的示意圖。（d）對照組和SSIH之間的粘附強度比較（n=3，平均值±標(biāo)準(zhǔn)差）。（e）與之前報道的基于離子電滲療法的透皮醫(yī)療系統(tǒng)相比，這項工作的操作電流。

圖2. SSIH實現(xiàn)的汗液誘導(dǎo)單元的優(yōu)化和表征。（a）在豬皮上進行搭接剪切試驗時，不同聚丙烯酸含量的SSIH的粘附強度（n=3，平均值±標(biāo)準(zhǔn)差）。（b）不同聚丙烯酸含量的SSIH的拉伸應(yīng)力-應(yīng)變曲線。（c）不同聚丙烯酸含量的SSIH的韌性和應(yīng)變（n=3，平均值±標(biāo)準(zhǔn)差）。（d）在10分鐘離子電滲療法過程后，通過SSIH獲得豬皮的橫截面熒光圖像，其中聚丙烯酸含量為0%和10%。羅丹明B被用作可視化的模型藥物；比例尺，500 μm。（e）對照樣品和安裝在豬皮上的SSIH的橫截面顯微鏡圖像。比例尺，200 μm。（f）對照樣品和與豬皮接觸的SSIH的電化學(xué)阻抗譜分析（插圖，等效電路模型）。（g）在50至300 μA的不同工作電流下，基于控制電極和SSIH電極的離子電滲療法誘導(dǎo)出汗的比較。比例尺，2.5 mm。

圖3. 多路汗液生物傳感電化學(xué)織物的優(yōu)化和評價。（a）用于持續(xù)汗液取樣和分析的織物生物傳感系統(tǒng)示意圖。（b和c）酶生物傳感纖維和pH傳感纖維的配置和機制。（d–g）（d）葡萄糖、（e）乳酸、（f）尿酸和（g）pH生物傳感纖維的長期運行穩(wěn)定性。（h–k）（h）葡萄糖、（i）乳酸和（j）尿酸生物傳感纖維的電流響應(yīng)，以及（k）pH生物傳感纖維對磷酸鹽緩沖鹽水中相應(yīng)分析物的開路電位響應(yīng)。（h–k）中的插圖顯示了相應(yīng)的傳感器校準(zhǔn)關(guān)系；相關(guān)系數(shù)分別為0.999、0.997、0.998和0.999。（l–o）（l）葡萄糖、（m）乳酸、（n）尿酸和（o）pH生物傳感纖維（n=6）的再現(xiàn)性，相對標(biāo)準(zhǔn)偏差分別為7.43%、5.63%、7.47%和5.61%。

圖4. 用于連續(xù)交叉活動汗液分析的集成電化學(xué)織物生物傳感系統(tǒng)的體內(nèi)演示和評估。（a）受試者在執(zhí)行辦公室工作時背部穿著電化學(xué)織物（FPCB，柔性印刷電路板）的照片。比例尺，3厘米。（b）受試者在閱讀時前臂佩戴電化學(xué)織物的照片。比例尺，2厘米。（c）用于自主離子電滲療法和實時數(shù)據(jù)顯示的系統(tǒng)級框圖和定制移動應(yīng)用程序（DAC，數(shù)模轉(zhuǎn)換器；ADC，模數(shù)轉(zhuǎn)換器；UART，通用異步收發(fā)器；REG，穩(wěn)壓器；PMIC，電源管理集成電路）。（d）在辦公室工作、午餐、放松和跑步條件下，對三名健康受試者進行連續(xù)的交叉活動汗液監(jiān)測，每三個時間間隔進行一次離子電滲療法出汗。

來源：柔性傳感及器件