可穿戴式汗液生物傳感器具有樣本采集方便、生理相關性強、無創縱向監測人體等特點。然而，要將這一領域發展到真正能夠代表“皮膚上的實驗室”技術的水平，需要整合先進的功能，讓用戶可以自由地選擇進行監測的時間，并且能夠挑選設備中嵌入的傳感器，以進行特定條件的樣本分析。 ?

近期，美國北卡羅來納州立大學的Amay J. Bandodkar教授團隊提出了一種具備以上這些功能的可穿戴微流控平臺，通過在微流控結構中集成手指驅動泵、閥門和傳感器，實現了按需、縱向的汗液分析。

微流控結構的基本原理

該可穿戴系統由軟光刻加工而成的柔性有機硅彈性體組成，其機械性能與皮膚相似（圖1A）。該裝置依賴于巧妙設計的被動毛細終止閥（CBVs）和手指驅動氣動泵，實現先進的汗液采集控制。如圖1B所示，該裝置的入口室通過微流道和CBVs連接到四個獨立的傳感室。每個傳感室進而連接到一個手指驅動的吸入泵。汗液通過入口進入裝置，直到到達CBVs。

此時，CBVs的突破壓力高于生理汗液壓力，因此汗液不能流到CBVs以外（閥門處于“關閉”狀態）。當用戶拉動拉扣激活泵時（圖1C），產生的氣動吸力會打開相應的CBV，并讓在入口室收集的汗液流入對應的傳感室進行按需分析（圖1E）。

圖1 可穿戴微流體貼片用于按需、縱向和多分析物汗液監測

手指驅動氣動泵的優化設計

氣動泵由一個帶有塌陷的硅膠薄膜頂的空腔組成。向上拉硅膠薄膜頂部粘貼的紙質拉扣，通道內產生驅動壓差，將汗液從入口室輸送到傳感室。該研究中均采用空腔高度為200μm的氣動泵，因為這個高度最大限度地降低了由于泵的意外擠壓而將采集腔內樣本推出設備的風險。

此外，只有當施加在氣動泵紙質拉扣上的拉力約為94mN時，樣本才會從入口室完全轉移到傳感室，18mN以下的拉力可忽略不計。

圖2 手指驅動氣動泵功能研究

傳感室的優化

為了提高樣本在傳感室中的擴散效果，傳感室中加入了具有強導流特性的纖維素膜，使得樣本在傳感室內快速均勻的擴散，而不依賴于拉扣被拉的速率。圖3展示了樣本在堆疊有不同層數的膜的單通道裝置的傳感室內的擴散效果。采用單膜（厚度：10μm）可以明顯改善汗液空間分布，但填充均勻性仍需要提高。采用兩層和三層膜的裝置則能更有效地泵送并均勻地分配汗液。

此外，多層膜加空腔的系統使得傳感室有空間收集額外的不與膜結合的樣本，并與嵌入的傳感器相互作用，以獲得可靠的檢測結果。四層膜則阻礙了泵送機制，使相當數量的汗液滯留在入口室，而且，四層膜的傳感室展現出分布不均勻的區域（左上角）。

因此，具有兩層堆疊膜的系統更適合于此設備，因其促進了樣本有效的泵送和均勻的分布。

圖3 樣本在傳感室內分布的研究

樣本混合及機械變形和慣性力對裝置性能影響的研究

研究人員還研究了前后產生的樣本是否會交叉污染。使用經過校準的傳感室的紅色強度（R值）用于評估樣本在傳感室滯留的程度。

結果顯示，與各自的R值基線相比，兩個透明室的R值小于6%，兩個紅色室的R值大于95%，說明由于泵和閥的穩健性，前后產生的樣本混合污染問題可以忽略。

證明CBVs即使在受到張力和慣性力情況下，也能阻止汗液流到傳感室，實現了該裝置的按需可穿戴傳感功能（圖4）。

圖4 彎曲力和慣性力對裝置性能的影響

人體試驗

研究人員通過2天的試驗，在受試者前臂內側使用這種設備演示其在實際中的應用（圖5A）。受試者每天早晚兩次、連續兩天在固定自行車上進行約10分鐘的中等節奏騎行。在每次騎行過程中，入口室收集汗液，同時通過出口排出多余的汗液。

在每回騎行結束時，拉動拉扣激活泵，驅動收集的汗液樣本流到相應的傳感室，按需檢測四種標志物（氯、鈣、葡萄糖和pH值），測量濃度都在汗液的生理范圍內（如圖5B-E所示），證明該裝置能夠按需、跨時間軸的進行汗液采樣檢測。

圖5?人體試驗

綜上，通過精心設計的手指驅動泵、閥門和傳感室，這種新型無創可穿戴設備，可以對一系列汗液標志物進行無電子、按需、縱向和同步監測。同時，該研究里的概念、材料和設計原理很容易整合不同的傳感器，并有助于理解汗液生物化學以及汗液監測在無創生理監測中的重要性。

論文鏈接：

https://doi.org/10.1021/acssensors.2c01669

審核編輯：劉清