综述:用于健康监测和预警的智能水凝胶传感器

原创 MEMS 2024-05-26 00:02

智能水凝胶传感器作为可植入装置,在健康监测和预警中发挥着至关重要的作用,克服了传统临床方法的局限性,实现了直接、持续和精确的监测。这些传感器广泛应用于各种生物医学领域,为早期健康监测提供了独特的优势,确保了直接、持续和高度精确的监测。除了检测生物分子外,智能水凝胶传感器凭借其柔性和生物相容性,还可以监测疾病特异性标志物,为疾病进展提供见解,有助于疾病的早期识别。

据麦姆斯咨询报道,近日,由重庆大学罗阳教授和山东大学第二医院张红领导的研究团队在Advanced Sensor Research期刊上发表了题为“Smart Hydrogel Sensors for Health Monitoring and Early Warning”的综述文章,全面介绍了用于人体健康监测的水凝胶传感器。该研究讨论了智能水凝胶传感器研究的最新进展,旨在为人体健康监测提供有前途的方法。最后,概述了水凝胶传感器在人体健康监测领域的研究方向。虽然进一步的研究和临床验证是必不可少的,但水凝胶传感器将在临床应用中发挥关键作用,为人们提供准确持续的健康监测。

水凝胶传感器利用复杂的设计和制备的交联结构,提供了两个主要优势:交联设计和制备方法的优越性,以及在生物医学领域的优势。水凝胶传感器是基于水凝胶材料的独特性能设计的,水凝胶材料由具有高保水性和生物相容性的3D网络结构组成。核心设计原理围绕水凝胶的交联结构,通过控制交联程度和材料组成来实现对特定生理参数或生物分子的高灵敏度检测。

水凝胶传感器作为尖端生物医学工具,在健康监测应用方面显示出巨大的潜力。未来的研究应优先考虑传感器设计的精细优化,提高稳定性、耐久性和对不同环境的适应性。文中总结了水凝胶传感器在健康监测中的分类和主要传感机制。


智能水凝胶传感器健康监测与预警概览

通过将对生理和气流变化的敏感性与检测气体成分的能力相结合,水凝胶传感器为监测呼吸过程提供了一个全面的解决方案。其广泛的应用潜力扩展到医疗监测、呼吸系统疾病诊断和治疗领域,为推进医疗保健解决方案提供了一种创新和多元的方法。

水凝胶传感器在检测生理指标和生物标志物进行健康监测和预警方面具有广阔的应用前景。水凝胶传感器的生物相容性、高灵敏度和实时监测能力使其成为医学领域极具前景的新兴技术。文中列举了一些已报道的水凝胶传感器在健康监测和预警中的例子。

生物参数监测

水凝胶传感器因其高生物相容性和灵敏度,在血糖监测方面具有显著优势。通过在体内创建稳定的生物传感接口,水凝胶传感器能够高度灵敏地实时检测血糖水平。这种能力使得水凝胶传感器在管理糖尿病方面特别有效,能够提供及时的数据反馈,帮助医疗保健专业人员制定个性化的治疗计划。


用于葡萄糖传感的水凝胶基发光纳米金刚石微针

水凝胶传感器在检测癌症生物标志物方面显示出巨大的潜力。通过特定的水凝胶设计,可以实现对特定癌症相关生物标志物的高选择性检测,为癌症早期诊断提供了一种敏感和非侵入性的方法,有助于提高治疗成功率。水凝胶传感器的多功能设计允许同时监测多种生物标志物,从而提高癌症筛查的全面性和效率。


用于癌症检测的刺激响应电化学无线水凝胶生物传感器

生理状态监测

智能水凝胶的温度响应能力是通过使用热敏材料(如聚N-异丙基丙烯酰胺(PNIPAM))来实现的,此外,离子液体的引入进一步提高了水凝胶的性能。离子液体不仅提高了水凝胶的溶解度和导电性,还优化了其机械性能和温度敏感性,使水凝胶能够快速响应体温或外部热刺激的变化。


温度敏感型水凝胶传感器的合成及应用方案

导电水凝胶是一种柔性电子器件,满足了机械柔性和智能传感的基本要求。通过定向冷冻方法制备了一种受肌肉组织结构启发的MXene导电水凝胶,其具有耐低温性和各向异性。利用无线技术,感应信号进一步在手机上显示为图像,并根据采集到的信号进行更新,从而实现运动检测。


MXene导电水凝胶的合成方法及其在3D传感器阵列和可穿戴柔性传感器中的应用

疾病检测

根据Xiong等人的报道,开发了一种新型的DNA水凝胶传感器。这种水凝胶可以被一种特定类型的细菌脱氧核糖核酸酶(DNase)降解。嵌入式电子设备可以确定水凝胶的降解程度。如果它在某个参数范围内,则表明存在感染。此时,电子设备将向智能手机发送警报。研究人员称之为“无线伤口感染检测”。


生物分子敏感型水凝胶传感器的无线伤口感染检测理念

水凝胶传感器具有优异的皮肤粘附性,可以实现连续的心率监测,准确反映患者的生理状态。其稳定性和生物相容性使得长期佩戴成为可能,为心脏健康的长期监测和心血管疾病的早期预警提供了方便有效的手段。


一种实时追踪心脏病病理变化的新方法

呼吸监测

为了预测与睡眠不足相关的疾病,必须实时监测人类的呼吸。尽管仍然非常困难,但对具有高精度、佩戴舒适性、移动性和环境耐受性的呼吸监测设备的需求很大。在这种情况下,开发了一种用于诊断阻塞性睡眠呼吸暂停综合征(OSAS)和监测呼吸的多模式水凝胶传感器,其具有优异的综合性能。在这项工作的帮助下,可以预防与睡眠有关的疾病,并实现实时呼吸监测。


基于纤维素的水凝胶传感器示意图,该传感器可以通过多种方式进行传感以跟踪呼吸。

总而言之,水凝胶传感器已日益成为医学健康监测和预警系统的组成部分,由于其对生理变化的敏感性,表现出显著的优势。水凝胶传感器在持续、实时的健康监测中特别有价值,对于管理慢性病和提供早期疾病检测至关重要。

目前进展:水凝胶传感器已被开发为具有高度的生物相容性,可以在人体复杂的生物环境中有效工作。最近的进展包括使用纳米技术和智能设计来增强水凝胶传感器的稳定性、准确性和实时数据处理能力。例如,荧光纳米金刚石和氧化石墨烯的集成,这提高了水凝胶传感器的响应性和数据可靠性。

存在的挑战:尽管取得了这些进步,但水凝胶传感器仍然面临着挑战,例如在人体运动起伏条件下保持长期稳定性和准确性。水凝传感器的实时监测能力也受到技术限制,包括数据处理速度和传感器材料的物理特性。

未来方向:展望未来,水凝胶传感器的发展很可能集中在通过材料科学和微纳制造技术的进步来增强其传感能力。这将涉及制造更耐用、响应更灵敏的传感器,能够检测更广泛的生理信号。人工智能(AI)的集成将进一步完善数据分析,从而实现更个性化、更精确的医疗干预。此外,随着小型化的趋势,水凝胶传感器将与可穿戴技术集成,促进非侵入式的持续监测。

水凝胶传感器在改造健康监测和预警系统方面具有广阔的前景。持续的跨学科合作和技术创新有望克服当前的局限性,并开启新的应用,例如在环境监测和食品安全领域。随着这些传感器的发展,它们将在推进主动和个性化医疗解决方案方面发挥关键作用,显著影响个人和社区的健康水平。

论文链接:
https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adsr.202400003

延伸阅读:
《可穿戴技术及市场-2023版》
《可穿戴传感器技术及市场-2022版》
《水凝胶技术及市场-2022版》
《即时诊断应用的生物传感器技术及市场-2022版》

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