基于ISF检测方法完全集成的、可穿戴微针阵列设备

用于监测生化标记的可穿戴设备有望帮助实现更好的个性化医疗保健、远程医疗和早期疾病诊断。目前，大量研究集中在非侵入式可穿戴设备上，该种设备可以通过电化学或光学传感器分析检测皮肤表面的分子标记。这种“皮肤上”的化学传感器研究主要围绕使用受刺激的汗液或提取的间质液（ISF）的表皮传感器展开。

然而，这两种类型的传感器都面临着巨大的挑战，包括如何在实验环境之外持续获取体液（例如，通过运动或电刺激）、不同的参数如何获取（例如汗液pH值、盐度和温度）、样品如何混合、怎样保障主要样品免受稀释和污染等等。这些挑战，以及汗液生物标志物与黄金标准的血液检测的有限、未确定的相关性和显著的时间滞后，已将非侵入性化学传感限制在“概念验证”演示中，在临床实用性上没有任何进展。

无需分析皮肤表面的生化标志物，而是直接在ISF中进行皮下分析，为许多生物标志物提供了成熟的、与血液检测结果高度相关的检测方法。直接ISF检测不受其他生物流体常见的主要问题的影响，包括上述大多数问题。事实上，经美国食品药品监督管理局（US Food and Drug Administration）批准用于糖尿病管理的连续血糖监测仪（CGM），可以检测ISF中的葡萄糖含量，且结果与血液检测具有极好的相关性。

据麦姆斯咨询报道，近日，美国加利福尼亚大学圣迭戈分校（University of California，San Diego）的研究团队，基于ISF检测方法，开发了一种完全集成的、可穿戴微针阵列设备。该设备用于无线和连续实时监测志愿者日常活动中的两种代谢物（乳酸和葡萄糖，或酒精和葡萄糖）。相关研究成果发表在Nature Biomedical Engineering上。

该设备包括可重复使用的电子器件和一次性微针阵列，可与定制的智能手机应用程序配合使用，用于数据采集和可视化。此外，通过系统集成和优化微加工，打造了设备的制造成本效益化、易组装性、生物相容性、无痛皮肤穿透和高灵敏度等特征。

图1 基于多路微针的可穿戴传感器系统及其子组件示意图

具体来看，组成设备的电子器件专为功能性、紧凑性和低功耗运行而设计。为了获取并传输电化学信号数据，电子器件系统使用两个集成电路——电化学模拟前端（AFE）和蓝牙低功耗系统级封装（BLE SiP）。其中，AFE提供用于在多达4个独立工作电极（WE）之间进行多路复用、信号调节（放大和滤波）和信号数字化的电路，而BLE SiP提供用于处理数字化信号，以及用于数据传输的BLE无线电和嵌入式天线。为这些组件供电是通过可充电锂离子电池（通过稳压器）完成的，该电池通过无线充电集成电路（IC）和充电线圈进行感应充电。此外，AFE和BLE SiP的功率优化可实现约30天的电池寿命，同时保持相对较小的电池尺寸。除了功率优化之外，将必要的IC数量减少到只有4个（2个用于信号采集/传输，2个用于电压调节/充电），可以实现紧凑的设计。

而微针阵列采用聚甲基丙烯酸甲酯（PMMA）原料，通过将优化几何设计的三维（3D）计算机辅助设计模型传输到用于微机数控（CNC）加工的计算机辅助制造文件，实现对其进行成本效益且高度可重复的微加工制造。并对其尺寸、几何形状和配置以及工作对参考电极的比例进行了优化，以实现可靠的机械稳健性、最大化的分析性能。其良好的生物相容性可使尖端直径5毫米的微针实现无痛皮肤穿透。

图2 电子器件和传感器架构示意图

在佩戴微针5小时后拍摄的人类参与者手臂的延时图像显示，应用区域没有皮肤刺激或炎症，其体外和体内机械特性均证明了微针的机械稳健性以及在整个使用过程中抗磨损的稳定性。基于生物相容性的PMMA微针阵列以及开发的两步灭菌方案确保了组装后微针传感器的安全性。此外，微针在监测所有检测的生物标志物方面表现出良好的性能，其结果均与血液标准检测结果具有良好的相关性，表明所开发的可穿戴传感技术在现实生活场景中的实用性，有望为数字医疗保健提供有力的途径。

图3 单分析物传感器的体内性能表征

图4 多路传感器的体内性能表征

论文链接：

https://doi.org/10.1038/s41551-022-00887-1

审核编辑 ：李倩