可穿戴生物傳感器能夠?qū)崟r監(jiān)測佩戴者的身體狀況和周圍環(huán)境。隨著傳感器及系統(tǒng)硬件技術的不斷發(fā)展，可穿戴設備的功能日益豐富，形式更加多樣，監(jiān)測的生理指標也更加精準。如今的可穿戴傳感器正朝著高精度、持續(xù)監(jiān)測和舒適性的方向發(fā)展，為提升個性化醫(yī)療保健做出了重大貢獻。

基于可穿戴傳感器的遠程健康監(jiān)測系統(tǒng)示意圖

據(jù)麥姆斯咨詢報道，近日，倫敦瑪麗女王大學（Queen Mary University of London）、佐治亞大學（University of Georgia）和紐約大學（New York University）的研究人員在Scientific Reports期刊上發(fā)表了一篇題為“Reshaping healthcare with wearable biosensors”的綜述文章，重點介紹了不同場景下用于健康監(jiān)測的可穿戴生物傳感器，以及可穿戴生物傳感器在設計開發(fā)、技術發(fā)展、商業(yè)和倫理等方面的現(xiàn)狀及未來趨勢。

近年來，可穿戴設備的形態(tài)發(fā)生了翻天覆地的變化，研究方向也開始由關注人們的日常運動習慣轉(zhuǎn)向解決醫(yī)療保健領域的重要難題，例如糖尿病患者管理和老年人遠程監(jiān)控等。為了應對這些挑戰(zhàn)，研究人員將重點轉(zhuǎn)向開發(fā)各種新型的可穿戴生物傳感器。

可穿戴生物傳感器的應用原理和分類示意圖

基于汗液的可穿戴生物傳感器

由于皮膚覆蓋了人身體的大部分區(qū)域，皮膚貼附式設備在各類可穿戴生物傳感器中備受關注。表皮生物傳感器可以實時分析生物體液中的生物標志物，并在多種生物醫(yī)學和健身應用中進行實時監(jiān)測，近些年頗受研究關注。例如，Kim等研究人員開發(fā)了一種離子電泳生物傳感器，能同時檢測汗液中的乙醇和組織間液（ISF）中的葡萄糖。這項技術采用了具有成本效益的絲網(wǎng)印刷方法，能同時對兩種表皮生物液體進行采樣，在測量汗液乙醇和ISF葡萄糖水平方面展現(xiàn)出了巨大潛力。

表皮離子電泳生物傳感器

基于離子電滲的表皮生物傳感器

在生物監(jiān)測領域，離子電滲法常被用于非侵入式獲取表皮生物液，原理是通過向皮膚施加適當?shù)?a href="http://m.xsypw.cn/tags/電流/" target="_blank">電流，引導皮膚與傳感器之間摩擦引起離子遷移。表皮生物傳感器可用于檢測各種藥物，例如有研究人員提出一種基于汗液的可穿戴表皮生物傳感器，能夠基于毛果蕓香堿的離子電滲作用或運動產(chǎn)生的汗液來檢測咖啡因。這個傳感器基于電流掃描技術，可以直接通過電極陽極檢測咖啡因。這種傳感系統(tǒng)在監(jiān)測體內(nèi)藥物相互作用方面具有相當大的潛力，未來有待進一步開發(fā)和研究。

基于淚液的可穿戴生物傳感器

淚液是另一種可用于評估生理健康的生物，淚液中的生物標志物分子直接從血液中擴散出來，能體現(xiàn)與血壓中生物標志物濃度的正關聯(lián)。通過淚液分析，可以識別眼部問題。例如Lin等研究人員開發(fā)的一種用于監(jiān)測血糖水平的隱形眼鏡。這項研究通過可逆的共價相互作用來改變隱形眼鏡的厚度，然后由智能手機的攝像頭讀取該厚度，通過化學相互作用進行葡萄糖傳感，從而實現(xiàn)無創(chuàng)測量葡萄糖水平。

基于唾液的可穿戴生物傳感器

唾液中的許多生物標志物在人體內(nèi)通過直接的細胞間轉(zhuǎn)移進入唾液，使唾液能夠反映人體的生理狀況，因此成為了替代血液分析的理想無創(chuàng)采樣方法。例如，有研究人員提出一個基于芯片實驗室（LOC）的光學傳感器，用于測量唾液中的葡萄糖。盡管這項研究制作的模型需要多個組件，但它表明了從唾液中提取葡萄糖測量值的可行性。此模型還利用光電二極管和發(fā)光二極管來獲取與葡萄糖濃度相關的光吸收值。

基于唾液的LOC生物傳感器

總而言之，近年來可穿戴生物傳感器取得了諸多的進展，但其發(fā)展仍受到一些技術問題的制約。人機交互、智能傳感和柔性電子等領域的發(fā)展，與傳感技術作為可穿戴設備核心技術的進步和普及密切相關。傳感器的尺寸、質(zhì)量、功耗、可靠性和穩(wěn)定性對于可穿戴設備的用戶體驗、佩戴舒適性和耗電量等方面都至關重要。此外，電源、通信安全和隱私保護也是亟待解決的主要問題。

為了應對電源問題，許多研究人員嘗試構建更先進的傳感器，以制造具有更人性化功能的可穿戴設備。目前，可拉伸導體、半導體材料和器件，以及自修復和生物相容性材料，廣泛應用于電子皮膚物理傳感平臺，許多相關研究集中在納米材料和MEMS工藝的融合上，例如基于碳納米管、石墨烯和其他納米材料的研究。

此外，由于大多數(shù)可穿戴生物傳感器目前只能評估少量生物標志物。未來，應致力于開發(fā)新的生物傳感器，并改進非侵入性生物體液采樣，以檢測更廣泛的生物標志物。

隨著材料科學、納米技術、通信技術和生物技術的發(fā)展，研究和合成具有新穎特性的傳感元件以擴大可穿戴設備的檢測范圍變得越來越重要。隨著合成材料和檢測方法的持續(xù)發(fā)展，以及檢測平臺和傳輸技術的進步，可穿戴設備在未來將展現(xiàn)出更廣闊的應用前景。

審核編輯：劉清