综述：用于压力监测的可穿戴植入性皮质醇传感电子设备

研究背景

皮质醇在体内执行多种任务，如调节血压和糖，控制睡眠/觉醒周期，及时管理压力并在之后恢复平衡。因此，持续监测皮质醇浓度，然后进行适当的治疗，可以防止各种负面的健康后果。现有的压力监测和测量皮质醇浓度的方法通常使用收集的唾液或血液等体液样本分析皮质醇水平由于样本准备要求，通常需要几个小时或几天才能获得结果。且单一或间歇性的皮质醇浓度测量是不可靠的，因为皮质醇的分泌在一天中高度随机波动，最高水平通常发生在早晨从睡眠中醒来后，随后逐渐下降。然而，皮质醇连续监测工具的开发仍然具有挑战性，因为 (1)该设备需要通过保形和舒适地附着在人体皮肤上或以非侵入性的方式插入体内来稳定和连续地提取体液，(2)皮质醇浓度必须实时监测，以及 (3) 附着在体内或身上的设备应以无线方式运行，使用户能够不分心地进行日常活动(即没有压力)。可穿戴和植入式电子设备有可能解决这些限制，但传统的设备由刚性和笨重的部件组成，与皮肤和器官松散地结合在一起，不能提供稳定和连续的测量。

研究成果

皮质醇是一种类固醇激素，在压力下从体内释放。尽管适度的皮质醇分泌可以帮助身体维持平衡，但过度的分泌会导致各种疾病，如抑郁症和焦虑症。传统的皮质醇测量方法经历了限制连续监测的程序，通常是收集体液样本，然后在实验室环境中进行单独分析，需要几个小时。因此，最近的研究展示了集成了电子模块的可穿戴的小型化传感器，能够实现无线实时分析。在本综述中，作者主要关注连续测量皮质醇浓度的可穿戴和植入式电子设备。讨论了不同类型的皮质醇传感技术，如基于抗体、DNA 诱导体和分子印迹聚合物的传感器以及旨在以微创方式连续监测皮质醇的可穿戴和可植入设备。除了直接测量压力水平的皮质醇监测器外，我们还总结了其他间接测量压力的方案，如电生理信号和汗液。最后，回顾了压力监测和管理电子产品的挑战和未来方向。相关报道以“Wearable and implantable cortisol sensing electronics for stress monitoring”为题发表在Advanced Materials期刊上。

图文导读

Figure 1. Hormonal pathway of stress response and detection methods.

Figure 2. Mechanism of cortisol detection via anti-cortisol antibody and its application in wearable devices.

Figure 3. Mechanism of cortisol detection via DNA aptamer and its application in wearable devices.

Figure 4. Mechanism of cortisol detection via the molecularly imprinted polymer (MIP) and its application in wearable devices.

Figure 5. Mechanism of cortisol detection via electrophysiological (EP) signal and its application in implantable and wearable devices.

总结与展望

诊断身体健康状况的分析技术一直在不断发展。这些分析基于检测体液中生物标志物的技术。在大量的生物标志物中，皮质醇可以作为导致各种精神和身体残疾的压力的衡量标准，所以皮质醇的测量占了其中的很大一部分。尽管已经开发了各种使用结合材料的传感方法，如抗体、DNA 诱导体和印迹聚合物，但由于皮质醇浓度周期性变化的特点，皮质醇的实时测量比其他生物标志物更受重视。

本综述中讨论的先进的可穿戴和植入设备实现了实时监测，要么使用现有的检测机制，要么通过全新的方法。在使用传统方法的传感器的情况下，传感器和体液之间的直接接触是必不可少的。可穿戴设备通过一个微流体通道收集体液，或位于液体丰富的地方，如眼睛，以检测皮质醇。皮质醇与附着在传感器上的结合材料相结合，并通过产生氧化还原电流、改变表面电荷或改变阻抗来发挥传感器的功能。对于这些传感器，分析设备是可穿戴的，但很难描述为实时监测设备，因为它仍然需要响应时间或额外的电源来进行分析，所以在这种情况下需要将传感器分离出来进行分析，或者需要几分钟的时间来分析。为了克服这种时间延迟正在使用NFC的供电技术或使用蓝牙的数据传输技术，但仍然需要解决物理限制，如传感器处的汗液积累。另一种不使用常规检测皮质醇的方法是通过 EP 测量间接传感。通过EP 测量监测皮质醇浓度是通过测量身体在皮质醇释放时出现的生物信号进行的。这可以测量肾上腺皮质(分泌皮质醇的器官)发生的电位，或由于汗液分泌而出现的皮肤传导的变化，这些都是应激反应的副作用。这些设备不从体液中进行测量，所以它们不需要反应时间，可以使用更长的时间，因为没有问题，如体液的积累，但是，它们也不是没有噪音，如其他激素的分泌，或其他原因的汗液分泌。最重要的是，向器官注射装置的形式有风险，在人类中只用于压力监测而没有任何优势。由于可穿戴式或植入式设备有优点和缺点，所以没有多少设备被商业化使用。就 Galaxy Gear 或 Apple Watch (最商业化的压力监测设备) 而言，压力是通过 HRV测量来观察的，HRV 是一种通过传输红外线来监测心率的方法，而皮质醇浓度并没有直接测量。

然而，可穿戴或可植入设备的技术进步有可能通过实时监测来预防疾病。皮质醇传感器仍需进一步发展，以准确预测实时压力。虽然传感器技术已经改进，但电化学传感器仍然存在局限性，它只能通过传感器的不可逆反应提供一次性或间歇性的测量。因此，识别动态压力(以皮质醇水平波动为特征)的连续测量能力仍然有限。此外，将这些皮质醇传感器与治疗装置结合起来的闭环系统可以证明压力带来的好处，同时防止副作用，如抑郁症。

文献链接

Wearable and implantable cortisol sensing electronics for stress monitoring

https://doi.org/10.1002/adma.202211595

转自：“i学术i科研”微信公众号

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