智能石墨烯纳米电子贴片,具有自主汗液采样和净化功能

MEMS 2024-04-15 00:01
汗液自身包含了丰富的与个人健康状况密切相关的生物化学信息,因此通过汗液可以对深入的身体生理状态进行无创监测。由于能够测量汗液中浓度动态波动的生物化学标志物,可穿戴生物化学传感器在个人疾病诊断中具有重要意义,而且它可以为个性化医疗、体能监测和疾病预诊断等主要领域的各种应用提供全面的分子信息,受到了广泛的关注。近年来,各种可穿戴生物化学传感器已被证明可用于检测汗液生物标志物。遗憾的是,绝大多数现有的皮肤适形可穿戴传感器通常是直接连贴在人体皮肤上使用,并且由于天然汗液分泌有限和快速蒸发等原因,器件总是不能快速收集足够量的汗液样本。此外,汗液杂质生物污垢和接触摩擦也会降低传感器的耐用性、检测精度和灵敏度。

近期,北京航空航天大学郝壮副教授,哈尔滨工业大学潘昀路教授、李斐然副教授,沈阳航空航天大学马爽讲师与合作者研发了一种微型可穿戴皮肤界面智能石墨烯纳米电子(SIGN)贴片,该贴片采用了一种新型Janus膜集成表面润湿性可切换微流控模块,具有自主汗液采样和净化功能,可用于汗液生物标志物的原位分析。该研究以“Intelligent Wearable Graphene Nano-electronics with Switchable Surface Wettability Capabilities for Autonomous Sweat Enrichment-Purification-Analysis”为题发表在Advanced Functional Materials期刊上。北京航空航天大学为论文的第一完成单位,北京航空航天大学、哈尔滨工业大学和沈阳航空航天大学为论文的共同通讯单位。

SIGN贴片的组成与功能

该SIGN贴片采用电解质栅极-石墨烯晶体管作为信号转换平台,与现有的生物标志物电化学检测方法相比,石墨烯晶体管具有反应快、灵敏度高、生化功能化简单等优点。由于完全集成和小型化的平面电解质栅极结构,可以在衬底上轻松实现晶体管阵列的高效可扩展制造。

乳酸是葡萄糖厌氧代谢的产物,与代谢紊乱密切相关,包括糖尿病、肝病和肿瘤发生,或其他疾病,例如细菌性脑膜炎、脑组织缺氧、局部缺血和某些先天性代谢缺陷。汗液乳酸的异常水平与呼吸衰竭、低氧血症甚至休克和死亡具有合理的相关性,被认为是评估体能消耗的关键生物标志物之一,在该研究中被用作检验SIGN贴片性能的代表。

在该研究中,乳酸脱氢酶(LDH)和烟酰胺腺嘌呤二核苷酸+(NAD+)被用作生物识别元件,并在石墨烯上进行功能化修饰。由于良好的NAD+-乳酸反应可逆性,NAD+/LDH功能化石墨烯晶体管具有出色的信号再现性,重复使用50次后,最大信号波动误差小于6.2%。此外,LDH和NAD+的持久酶活性也为传感晶体管在暴露于汗液中时提供了良好的长期(超过1个月)稳定性。此外,TWEEN 80对人体汗液中的脂肪酸和尿素等复杂成分具有较低的结合亲和力,并防止杂质生物污垢的形成,它在石墨烯上被功能化以形成钝化层,并进一步增强传感稳定性。值得一提的是,通过取代生物识别元件,晶体管可以毫不费力地适应于检测各种生理生物标志物,而不仅仅是乳酸。

在该研究中,研究人员将一种全新自制的不对称表面能分布(ASED)微流控模块安装在石墨烯通道上。由于雪花形ASED超亲水汗液采样通道和增量分布室的可切换表面润湿性特性,可以实现大流量汗液的快速定向传输,以收集足够数量的汗液样本。由于嵌入式Janus微滤(MF)膜的单向液体传输行为,可以有效地自我净化和富集汗液,从而消除杂质干扰,提高传感精度和灵敏度。

石墨烯晶体管连接了一个高度集成的自行设计的信号处理单元(图1b),其整体尺寸小于一张信用卡,并在低成本的柔性印刷电路板(PCB)上制造,可以实现高分辨率的晶体管信号转导和采集、原位信号处理以及到Android智能手表或云服务器的无线数据传输。此外,佩戴者可以在活动中实时读取汗液乳酸监测数据和心率,或通过定制的安卓智能手表应用程序查看历史检测结果。通过将佩戴者在活动中的生理指标与云大数据进行综合比较,SIGN贴片可以智能地给出运动强度“合理”与否等初步诊断评估意见。当汗液乳酸水平超过合理限度时,它还可以通过智能手表发出振动警告提醒。此外,该研究制备的可穿戴SIGN贴片摆脱了之前报道的汗液监测集成系统中常用的笨重手机,允许用户自由移动。此外,SIGN贴片还首次提出并实现了根据生物标志物检测结果分析,智能自主地为过度运动提供感知警报信号以防止意外发生的策略。

图1 微型可穿戴SIGN贴片的组成:(a)定制智能手表APP的交互式界面,用于现场查看连续的汗液乳酸监测数据、历史检测结果和智能预诊断结果;(b)自研制设计的集成信号处理单元的系统级框图,石墨烯晶体管信号转换和上传到智能手表和云服务器是通过微控制器STM32L4、高精DAC/ADC电路和无线通信电路完成的;(c)借助ASED微流控模块和嵌入式Janus膜进行汗液自主富集和纯化的过程示意图;(d)说明NAD+/LDH功能化石墨烯晶体管在乳酸存在下的工作机制。石墨烯晶体管的照片(比例尺:2 mm)、石墨烯通道的SEM(比例尺:50 μm)和AFM(比例尺:5 μm)图像。

SIGN贴片对汗液乳酸检测性能表现

研究结果表明,该SIGN贴片对1 x PBS中0.5 ~ 400 mM浓度的乳酸展现出良好的检测性能,理论检出限可以低至0.31 mM。此外,在长期储存30天后,该贴片对乳酸浓度变化仍显示出较好的响应(信号响应偏差小于6.86%),并且贴片对0.5 ~ 400 mM浓度范围的乳酸正向浓度与反向浓度变化均具有积极响应,展现出良好的可重复利用性(重复使用50次后偏差小于6.2%)。

为了评估SIGN贴片在可穿戴应用中的汗液乳酸检测能力,在跑步锻炼期间对不同的志愿者进行了实时的体内汗液乳酸测量。跑步运动过程包括几分钟的热身,直到出汗,5分钟以5 ~ 6公里每小时的恒定速度慢跑,15分钟以10 ~ 11公里每小时的恒定速度跑步,10分钟以5 ~ 6公里每小时的恒定速率慢跑,以及10分钟的降温步行(3 ~ 4公里每小时)。志愿者在热身时出汗后,分别固定在志愿者不同身体部位(包括前额、颈部和背部)的设备可以同时记录数据。设备收集的数据通过蓝牙无线传输到用户界面,用于进一步分析。在慢跑运动中,随着跑步时间从0分钟增加到20分钟,归一化的前额附着传感器信号值急剧增加到5.37 μA,然后在接下来的10分钟内缓慢下降到0.46 μA。在10分钟的缓解过程中,归一化的传感器信号值继续缓慢下降,最终几乎保持在0.04 μA左右。颈部和背部的传感器也获得了类似的实验结果。这些数据证明了可穿戴SIGN贴片在跑步运动中持续监测汗液中乳酸的潜力。

为了更全面地评估SIGN贴片的性能,三名志愿者重复进行以下身体测试。首先,志愿者在脖子上戴上贴片,然后在户外(温度30℃)进行跳绳运动。分别在2000次和3000次跳跃(每500次跳跃休息1分钟)后检测汗液乳酸水平。此外,在相同的天气条件下,志愿者分别在以15 ~ 18公里每小时的速度骑行20分钟和30分钟后,或以10 ~ 11公里每小时的速度跑步8分钟和15分钟后进行汗液乳酸浓度检测实验,效果良好。可见,SIGN贴片在复杂的应用条件下,能够准确、可靠地区分汗液乳酸水平的变化。

图2 (a)用于无线数据通信的可穿戴SIGN贴片和腕戴智能手表;(b)SIGN贴片的电信号处理电路;(c)志愿者1在相应的锻炼活动后面部区域的红外照片;(d)Vds和Vg曲线;(e)志愿者背部、颈部和前额分别佩戴SIGN贴片,在40分钟跑步活动中实时监测汗液乳酸数据;(f)29 ~ 33岁不同志愿者在跑步、慢跑和骑自行车等各种运动活动中的人体汗液乳酸检测数据。

综上所述,该研究提出了一种微型可穿戴皮肤界面智能石墨烯纳米电子(SIGN)贴片,该贴片采用具有自主汗液采样和纯化能力的新型Janus膜集成表面润湿性可切换微流控模块,用于汗液生物标志物的原位分析。由于微流控表面的不对称表面能分布特性,实现了足够量的汗液到Janus膜的快速、定向传输。Janus膜净化汗液样本,并将样本自主输送到传感器表面,从而消除杂质干扰,提高传感性能。超柔性生物受体功能化石墨烯晶体管用于准确监测汗液生物标志物,如乳酸,具有出色的信号再现性和良好的长期(超过1个月)稳定性,以及与微流控模块结合的信号处理单元。在实际佩戴测试中,SIGN贴片能够连续测量志愿者在运动过程中的汗液乳酸水平,并成功地智能地对他们的运动强度进行初步诊断评估,这表明了其潜在的商业化前景。

论文链接:
https://doi.org/10.1002/adfm.202400947

延伸阅读:
《即时诊断应用的生物传感器技术及市场-2022版》
《柔性混合电子(FHE)技术及市场-2023版》
《电子皮肤贴片技术及市场-2022版》
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