用于汗液实时监测的全弹性可穿戴系统

可穿戴电子设备已在体育和医疗保健领域得到广泛采用，用于监测心率、血氧水平和体温等生理指标。然而，由于传感器性能和系统设计的限制，可穿戴设备在健康应用中仍然受到限制。虽然液体活检技术已经在健康监测、早期疾病诊断、预后检测和药物代谢研究中得到广泛应用，但无创实时监测对于日常生理指标跟踪、慢性病管理和运动表现监测等研究方向仍然至关重要。

因此，结合液体活检技术的可穿戴设备有望在人体功能实时监测领域得到广泛应用。汗液作为最容易获得的体液，是非侵入性生物标志物分析的绝佳介质。汗液中的钾离子和钠离子（K⁺和Na⁺）是人类代谢状态的重要标志物，而乳酸是生理应激的重要指标，反映了有氧代谢和无氧代谢之间的转变。此外，汗液葡萄糖水平与血糖水平呈现高度相关关系，从而实现无创血糖检测。因此，汗液非常适合在日常生活甚至运动中对人体功能进行无创实时监测。

汗液中K⁺、Na⁺、乳酸和葡萄糖的检测在各个领域都有广泛的应用，包括监测糖尿病和肾病等慢性疾病的病程和治疗，评估运动表现和体力消耗，以及在药物开发和临床试验中进行药代动力学评估。此外，汗液分析对监测飞行员和宇航员等处于关键位置的个人的日常生理指标具有重要价值。在这样的应用场景中，实时、长期、可靠的汗液监测至关重要，这导致可穿戴形式在汗液检测中占据主导地位。然而，持续的实时汗液监测不仅需要精确和实时的传感器，还需要具有人体工程学设计的可穿戴设备，以确保长期穿着舒适。因此，实现全系统弹性是实现这一目标的关键因素。

现有的研究通常侧重于传感设备或采集组件的部分弹性，忽略了在整个系统中实现弹性和拉伸可靠性的挑战。大多数智能穿戴设备采用柔性印刷电路板（FPCB）作为芯片的互连电路。然而，FPCB的缺点是它只能弯曲，不能拉伸。此外，FPCB表现出高刚性，并且在不规则的拉伸或弯曲力下容易损坏。克服这些限制并实现系统弹性和拉伸可靠性是可穿戴汗液检测领域的关键研究目标。此外，让系统里的汗水保持新鲜，也是现场高精度实时监控的关键。以前的可穿戴汗液检测系统通常利用亲水和多孔材料来收集汗液。

然而，吸水材料通常难以有效排出收集的汗液，导致检测精度降低，难以长期可持续使用。尽管最近的研究已经探索了使用流体动力学优化的通道结构来促进汗液的收集和排出。这些努力略微改善了设备内的汗液流速。然而，提高汗液收集、运输和排出的效率以持续保持传感器处汗液的新鲜度仍然具有挑战性。

为了解决以上挑战，近期，来自上海交通大学的研究人员在Small期刊上发表了题为“A Fully Elastic Wearable Electrochemical Sweat Detection System of Tree-Bionic Microfluidic Structure for Real-Time Monitoring”的论文，提出了一种名为“Sweatree”的全弹性可穿戴电化学汗液检测系统。

“Sweatree”系统结构及应用

该系统集成了汗液采集微流控芯片、多参数电化学传感器、微加热器和汗液检测弹性电路板系统。微流控芯片独特的树状仿生结构显著提高了新鲜汗液的收集和排出效率，实现了电化学传感器的实时检测。汗液多参数电化学传感器可对K⁺、Na⁺、乳酸和葡萄糖进行高精度和高灵敏度的测量。此外，该电子系统构建在一块弹性电路板上，可以与褶皱的皮肤完美贴合，确保了穿着舒适性，并实现了多通道数据采样、处理和无线传输。

图2 “Sweatree”系统中微流控芯片的结构、工作原理和性能测试

图3 超薄多参数弹性电化学传感器的图像、组件、电极修饰、扫描电子显微镜（SEM）表征和性能测试

图4 超薄微型加热器的图像、结构和性能测试

图5 汗液检测弹性电路板系统的结构图、测试图像以及疲劳和性能测试

图6 “Sweatree”系统的模拟测试和人体运动监测

总而言之，这种最先进的系统代表了弹性可穿戴汗液检测领域的重大进步，并具有将其功能扩展到其他汗液标记物或各种可穿戴应用的检测的潜力。

审核编辑：刘清