可穿戴可拉伸，科学家研发非侵入式固态生物标志物传感器

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早期检测疾病需要快速且方便地监测重要的生物标志物。新加坡国立大学（NUS）的研究人员开发了一种新型传感器，可以持续、就地检测新建立的固态表皮生物标志物（简称SEB）。

该研究团队由NUS生物医学工程系的刘宇鑫教授带领（https://www.lab-liu.com/），提供了一种非侵入性的方法，通过直接在皮肤上检测胆固醇、乳酸和葡萄糖等生物标志物来监测健康。该项目和新加坡科学院的Yang Le博士的团队合作。

固态生物标记物传感器

团队开发的这种可穿戴、可拉伸、基于水凝胶的传感器克服了目前依赖血液、尿液和汗液等生物液体样本方法的局限性，使其成为持续、实时健康监测的有前途的替代方案，促进疾病的早期检测。这一发展尤其适用于慢性病管理、全人群筛查和远程患者监测等领域。

团队的研究成果已发表在2024年6月12日的《自然：材料》期刊上。

克服现有挑战的创新

固态生物标记物有望替代血检，尿检

监测生物标志物——即在血液或其他体液中发现的分子，能够反映细胞或有机体在某一时刻的状况——传统上需要分析血液、尿液和汗液等生物液体。尽管有效，这些方法存在挑战。血液检测是侵入性的且不方便，尿液分析可能麻烦且缺乏实时能力，而通过汗液探测生物标志物虽然是非侵入性的，但由于难以在不活动的人身上诱导汗液以及使用诱汗药物的不适，限制了其应用。这些都对疾病的早期诊断和治疗构成了障碍。

SEB提供了一种引人注目的替代方案。这些生物标志物，如胆固醇、乳酸和葡萄糖，存在于皮肤的最外层角质层中，并与心血管疾病和糖尿病等疾病有强相关性。然而，就地检测这些生物标志物一直是困难的。例如，传统的固态电极缺乏进行SEB电化学检测所需的离子和电子通路。

NUS研究团队通过他们的新型传感器设计克服了这一挑战。“我们的水凝胶由一个离子导电水凝胶（ICH）层组成，它溶解SEB，另一个电子导电水凝胶（ECH）层促进电子传输，”刘助理教授说。“这种离子-电子双层结构使固态分析物的溶解、扩散和电化学反应得以顺序进行。”

当设备佩戴在皮肤上时，SEB会溶解在ICH中，通过水凝胶基质扩散，并在ICH和ECH之间的酶催化下发生电化学反应。相关的生理数据随后通过柔性印刷电路板无线传输到外部用户界面，实现连续监测能力。

可靠、敏感且用户友好

与传统需要生物液体样本的传感器不同，NUS团队的传感器可以直接在皮肤上持续、非侵入性地监测SEB，使其对于远程患者监测和全人群健康筛查具有重要价值。

用SEB传感器非侵入的动态监测人体乳糖变化

在临床研究中，传感器显示出皮肤检测到的生物标志物与血液样本中的生物标志物之间有强相关性。这验证了传感器的准确性和可靠性，表明其可以作为血液检测的替代方法来监测糖尿病、高脂蛋白血症和心血管疾病等慢性病。

传感器的灵敏度是另一大优势。“它可以检测到超低水平的固态乳酸和胆固醇，”刘教授说。“这种灵敏度接近质谱法，确保了这些生物标志物的精确监测。”

此外，传感器的设计减少了由于用户运动导致传感器位置或与皮肤接触压力变化引起的运动伪影，比传统传感器减少了三倍。这一新发现由A*STAR的Liu Zhuangjian博士和Li Hongying博士的团队通过数学建模成功验证。通过最小化运动引起的干扰，双层水凝胶确保了数据读取的一致性和可靠性，而设备的可拉伸、皮肤状性质增强了用户的舒适度。

推出下一代传感器

NUS研究人员计划通过增加传感器的工作时间和灵敏度来提升其性能。此外，他们还打算整合更多的固态分析物，扩大传感器对其他生物标志物的适用性。研究人员还在与医院合作，提供更多的临床验证，并将这项技术带给患者，特别是用于持续血糖监测以及动态恢复力的定量评估。他们预计这项技术将在大约五年内实现商业化。

团队信息

课题组网站 https://www.lab-liu.com/

论文信息

发布期刊 Nature Materials

发布时间 2024年6月12日

文章标题 Stretchable ionic–electronic bilayer hydrogel electronics enable in situ detection of solid-state epidermal biomarkers

（https://doi.org/10.1038/s41563-024-01918-9）

研究团队 | 作者

酥鱼 | 编辑

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