从汗液看出健康

　　汗液是机体正常活动代谢的产物，早在古代，人们就通过汗液的颜色及气味诊断身体的健康状况。《温病条辨·汗论》记载：“汗也者，合阳气阴精蒸化而出者也”。汗液不仅是机体体表蒸发的液体，同时还汇聚脏腑功能的代谢信息，富含大量潜在的与健康和疾病相关的生物标志物，与血液和尿液检测相比，汗液具有长期稳定、非侵入式采集与实时监测等优势，通过皮肤表面汗液分析实现无创健康监测与疾病诊断，在医疗健康领域具有重大意义和广阔市场前景。

　　可穿戴电化学传感器件的发展使得动态健康实时监测成为可能，通过实时、快速检测汗液中成分的变化，准确反应人体代谢机能指标。然而，现有的汗液传感平台并不能准确探测低浓度生物标志物，无法多模态识别以及难以大规模制备，极大地限制了其在可穿戴健康检测领域的应用。因此，如何实现汗液可控采集、信号高效稳定监测、生理指标动态响应是研究人员亟待解决的问题。为解决上述问题，2019年11月25日，加州理工学院医学工程系高伟（Wei Gao）教授研究团队在Nature Biotechnology杂志上发表长文文章Alaser-engraved wearable sensor for sensitive detection of uric acid and tyrosine in sweat，采用低成本大规模激光加工工艺，设计制备了可穿戴的基于石墨烯的电化学传感器、温度传感器与应力传感器，实现了运动过程中呼吸心跳等生理信号实时监控，并通过温度校准补偿，实现了非侵入式生物标记物准确探测（例如低浓度的尿酸与氨基酸）。

　　

　　进一步通过设计优化多层微流道结构，结合柔性电路板，得到集成化多模式皮肤传感贴片，并配合微流道结构，实现一体化、可编程、自动化分析平台的研发，用于非侵入式汗液多项微量生物信息的原位准确探测与实时新陈代谢管理，并通过这些生理指标的变化与反馈实现动态分析及新陈代谢辅助管理。该项工作拓展了可穿戴传感器件在医疗健康领域的应用，受到了各界研究学者的广泛关注。

　　

　　全激光加工的面向新陈代谢与健康管理的皮肤上的实验室。a） 基于全激光加工的传感平台; b） 多功能传感平台：尿酸、酪氨酸、温度、生理信号（心率/呼吸）、汗液流速; c） 柔性传感平台示意图。

　　

　　皮肤上的实验室实时监测。a） 可穿戴传感贴片贴附于身体不同部位示意图; b） 在固定负载骑车运动过程中，实时尿酸及酪氨酸信号响应变化; c）对于运动人群与缺乏运动人群，在同样运动过程中，酪氨酸浓度的动态响应。

　　基于全激光加工的传感平台，研究人员实现了汗液中尿酸与酪氨酸的准确监测，并通过微流道结构设计，实现了汗液动态持续采集监测。此外，尿酸作为痛风病症的重要监测指标，可以辅助痛风病症健康管理。利用该可穿戴传感平台，研究人员对痛风患者与健康人群血液/汗液中的尿酸进行相关浓度检测，证实了血液与汗液中尿酸浓度的高度关联性，实现了非侵入式持续性痛风病症管理。

　　进一步，该传感平台可以通过修饰/改性等方式，实现更多特定生物标记物的准确探测，拓展健康管理手段与应用场景。配合云端存储与大数据分析，实现多任务、可调控的无创式原位长期监测、生理指标趋势动态分析与新陈代谢辅助管理。

　　

　　利用皮肤上的实验室实现非侵入式痛风病症管理。a） 富含嘌呤食物增大患痛风病症风险; b，c） 对于健康志愿者，空腹条件及饱食嘌呤食物后血液/汗液中尿酸浓度; d） 痛风患者、高尿酸症候群以及健康人群的血液/汗液尿酸浓度对比; e） 饱食嘌呤食物后血液/汗液尿酸浓度的动态响应。

　　该传感器可大量生产，并且比当前可以检测汗液成分的相关设备更为灵敏，能够检测出浓度低得多的汗液化合物。

　　高说，他发明的传感器使用微流体技术，具有在分子水平上快速，连续和无创地捕获健康变化的潜力，因此只需要极少量的汗液就可以完成检测。

　　这种可穿戴式传感器使用宽度小于四分之一毫米的通道来引流，在这种情况下，新鲜供应的汗液流经微通道，可以更准确地测量汗液并持续捕获想要的化合物，还可以测量呼吸频率、心率以及尿酸和酪氨酸水平。

　　选择酪氨酸作为指标物是因为它可以指示代谢紊乱，选择尿酸是因为其水平升高会引起痛风。在测试中，该传感器能够准确判定是否有人患有痛风。到目前为止，这种类型的大多数可穿戴式传感器都是通过光刻蒸发工艺制造的，该工艺需要更复杂，更昂贵的制造工艺。而新发明的传感器是由石墨烯制成的，与使用其他技术的类似传感器相比，它们的制造要容易得多也便宜得多。