用于按需汗液分析的皮膚界面比色微流控器件

相關(guān)研究發(fā)現(xiàn)，汗液中的大量生物標(biāo)志物的濃度與血液中相對應(yīng)的循環(huán)分析物的濃度相關(guān)。因此，持續(xù)監(jiān)測這些汗液生物標(biāo)志物的濃度變化為許多疾病的早期診斷提供了機(jī)會，例如，通過對氯化物、葡萄糖、尿酸和酪氨酸的濃度監(jiān)測，可以實(shí)現(xiàn)囊性纖維化、糖尿病和痛風(fēng)的早期診斷。此外，對汗液流失的追蹤將為運(yùn)動員、軍事人員和臨床護(hù)理醫(yī)生提供個(gè)性化和時(shí)效性的反饋，以提醒相關(guān)人員及時(shí)飲水，從而防止脫水或中暑癥狀的發(fā)生。

在特定的時(shí)間點(diǎn)實(shí)現(xiàn)身體不同部位汗液樣本的收集、捕獲以及隨后的分析是至關(guān)重要的，這一需求促進(jìn)了電化學(xué)和比色汗液傳感器的發(fā)展。與電化學(xué)傳感器不同，比色汗液傳感器由于無需用于數(shù)據(jù)分析和傳輸?shù)?a target="_blank">電子器件，因此具有更加良好的兼容性，成本更低，并且易于使用。比色傳感器通常與微流控器件集成，以實(shí)現(xiàn)在單個(gè)平臺上檢測多種分析物。此外，通過將微流控通道與一系列獨(dú)立的儲液室相連，可以實(shí)現(xiàn)汗液的時(shí)間序列采樣和分析，同時(shí)最大限度地減少汗液交叉污染或蒸發(fā)的問題。因此，合理的微流控器件設(shè)計(jì)使得利用比色法可靠地監(jiān)測汗液中生物標(biāo)志物的濃度變化成為可能。

據(jù)麥姆斯咨詢報(bào)道，近期，湘潭大學(xué)劉逸為老師、王秀鋒教授以及美國賓夕法尼亞州立大學(xué)（The Pennsylvania State University）程寰宇教授在npj flexible electronics期刊上共同發(fā)表了題為“Skin-interfaced colorimetric microfluidic devices for on-demand sweat analysis”的綜述性論文，總結(jié)了用于生物流體管理和計(jì)時(shí)采樣的微流控閥，以及用于微流控自反饋的主動觸發(fā)器的最新進(jìn)展。此外，在列舉了目前比色微流控汗液器件在時(shí)間分辨率和可靠性方面的局限性之后，作者們進(jìn)一步指出了其未來發(fā)展的一些潛在可行策略。

圖1 具有比色檢測功能和微流控網(wǎng)絡(luò)的皮膚界面比色微流控器件示意圖，用于汗液分析和先進(jìn)的汗液控制與反饋

比色微流控汗液器件的計(jì)時(shí)采樣行為

在電化學(xué)汗液傳感器中，電路模塊通常首先用于對微流控閥系統(tǒng)進(jìn)行電子編程，以實(shí)現(xiàn)主動生物流體管理，并且基于收集的生物流體產(chǎn)生可以無線傳輸?shù)碾娦盘?，以及可以?a href="http://wenjunhu.com/v/tag/11230/" target="_blank">智能手機(jī)或電致變色顯示器上顯示的可視讀數(shù)。

而比色汗液傳感器沒有電子元件，只能依靠滲透作用產(chǎn)生的自然汗液壓力驅(qū)動汗液通過柔性微流控結(jié)構(gòu)進(jìn)行汗液采樣。因此，設(shè)計(jì)微流控中的閥結(jié)構(gòu)來主動管理微流控網(wǎng)絡(luò)中的生物流體流動以進(jìn)行計(jì)時(shí)采樣和分析是至關(guān)重要的。常用的設(shè)計(jì)包括毛細(xì)管爆破閥、疏水閥和聚合物閥。每種類型的閥都有各自的優(yōu)點(diǎn)和局限性，在計(jì)時(shí)采樣和比色讀出的應(yīng)用中展現(xiàn)了獨(dú)特的作用。因此，也可以將不同類型的閥組合起來，以實(shí)現(xiàn)無創(chuàng)和原位汗液監(jiān)測的協(xié)同效應(yīng)，例如，被動聚合物閥可以將汗液輸送到所需的儲液室進(jìn)行分析，并在觸發(fā)后阻塞通道以防止汗液回流，但仍然需要與其它類型的閥（毛細(xì)管爆破閥或疏水閥）相結(jié)合以進(jìn)行計(jì)時(shí)采樣。

圖2 基于被動閥結(jié)構(gòu)的皮膚界面微流控器件，用于計(jì)時(shí)汗液采樣

無電子汗液控制或反饋技術(shù)

比色微流控器件面臨的主要挑戰(zhàn)包括：（1）汗液的流動和混合不受控制；（2）可溶性化學(xué)試劑可能會從反應(yīng)室回流到皮膚；（3）由于出汗速率的變化而導(dǎo)致精確分析時(shí)間的不確定性；（4）難以進(jìn)行多步比色分析；（5）不可逆比色反應(yīng)阻礙連續(xù)分析的實(shí)現(xiàn)；（6）缺乏及時(shí)的自反饋過程。解決上述挑戰(zhàn)的一個(gè)潛在解決方案是將汗液分析系統(tǒng)與電子可編程微流控閥相結(jié)合，該微流控閥使用可單獨(dú)尋址的微加熱器來控制熱響應(yīng)水凝膠阻塞的微通道中的汗液流量。閥的主動控制可以實(shí)現(xiàn)在用戶定義的時(shí)間進(jìn)行汗液分析，從而不受汗液流速和其它外部干擾的影響。

圖3 比色微流控器件中的無電子汗液控制和反饋技術(shù)

總體而言，盡管比色汗液傳感器的研究已經(jīng)取得了重大進(jìn)展，但仍然有許多挑戰(zhàn)需要解決以使其實(shí)現(xiàn)更高水平的舒適性、機(jī)械形變狀態(tài)下穩(wěn)定功能的保持，以及滿足各種應(yīng)用的低成本器件的可靠制造。首先，為了減少不適和醫(yī)源性傷害，可穿戴器件（特別是用于嬰兒等皮膚嬌嫩人群的情況下）需要進(jìn)行柔性和可形變設(shè)計(jì)。然而，器件在運(yùn)行過程中的形變或其它非特異性外部因素會影響微流控器件中的汗液流動行為，甚至意外觸發(fā)反饋組件。雖然可以通過具有相對剛性的微通道和柔性襯底的集成化微流控器件來緩解這一問題，但是該類型的微流控器件制造工藝昂貴且耗時(shí)（例如光刻和深反應(yīng)離子刻蝕工藝，其封裝時(shí)間超過16小時(shí)），并且其材料和模量與皮膚具有較大的不匹配性。相比之下，數(shù)字光處理（DLP）技術(shù)可以快速制造（< 1小時(shí)）具有微米尺度特征尺寸（< 100 μm）的3D打印通道，并增強(qiáng)器件的光學(xué)透明度。

同時(shí)，數(shù)字光處理技術(shù)的灰度值范圍可以實(shí)現(xiàn)使用不同強(qiáng)度的光來制造具有高達(dá)三個(gè)數(shù)量級機(jī)械梯度的梯度功能材料，從而減輕了模量突變的問題。其次，使用皮膚界面可穿戴器件進(jìn)行準(zhǔn)確的汗液分析需要減少皮膚分泌的污染物（例如皮脂、皮膚碎片和灰塵）。例如，有研究人員設(shè)計(jì)了一種紙基三明治結(jié)構(gòu)pH傳感器，使用普通的控油片即可以過濾混合在汗液中的皮脂。最后，大多數(shù)比色汗液傳感器也存在一次性使用試劑和非連續(xù)檢測的問題。在可逆比色試劑出現(xiàn)之前，使用可替換的比色器件是一種替代方法。

圖4 可穿戴比色汗液監(jiān)測系統(tǒng)的未來機(jī)遇與挑戰(zhàn)

審核編輯：劉清