研究背景
可穿戴式传感器有希望提供对我们身体生化状况的无创和连续的洞察力。从其简单的起源是计步器，可穿戴式传感器已经极大地发展到更复杂的健康监测领域。在城市化进程加快生活方式改善以及健康和安全意识增强的推动下，可穿戴传感器行业在过去十年中见证了对提供连续健康监测的技术需求的指数式增长。目前最先进的商业可穿戴设备主要侧重于监测生物物理信号(温度、心率)，以显示潜在健康状态或状况的物理表现，这限制了这些设备在福利服务中的应用。由于各种疾病的复杂性和多维性，在采用可穿戴传感器进行疾病监测之前，需要在分子水平上获得更深层次的多重信息。从智能手表到电子皮肤，可穿戴汗液传感器的创新有希望通过扩大通过皮肤无创获得的生物测定来解决这一技术差距。
汗液含有丰富的生化信息，可以无创地按需甚至连续地获取。与其他生物流体(如血液、间质、泪液、唾液和尿液)采样的复杂性和不舒适性相比，汗液采样可以通过在皮肤的可接触位置放置传感器贴片而方便地实现。可穿戴汗液传感器通过连续和无创监测揭示的分子生物标志物可以更详细地了解支配我们健康的生化过程，通过对个人体能和健康状况的个性化监测，以及疾病诊断和预后，实现精准医疗。此外，通过汗液传感器从病人和健康人群的日常活动中收集的大量生化资料，可以通过预测算法进行处理，以实现个性化治疗和预防性护理。同时，在人口层面收集的大量数据集可以改善实时流行病学监测，并提高公共卫生应对措施的精确度。
研究成果
可穿戴式传感器在增强个性化健康监测、预测分析和及时干预以实现个性化医疗方面具有巨大潜力。柔性电子学、材料科学和电化学的进步促进了可穿戴汗液传感器的发展，这些传感器能够对指示健康状况的分析物进行连续和无创的筛查。可穿戴式传感器现有的主要挑战包括: 改进汗液提取和汗液传感能力，改进可穿戴式设备的外形，使佩戴时的不适感最小，测量结果可靠，以及了解汗液分析物对生物标志物发现的临床价值。这篇综述对可穿戴汗液传感器进行了全面的回顾并概述了努力弥补这些差距的最先进的技术和研究。介绍了汗液的生理学、材料、生物传感机制和进展，以及汗液诱导和采样的方法。此外，还讨论了可穿戴汗液传感设备的系统级开发的设计考虑，包括从长时间的汗液提取策略到可穿戴设备的有效供电。此外，还讨论了可穿戴汗液传感器在精准医疗方面的应用、数据分析、商业化努力、挑战和前景。相关报道以“Skin-Interfaced Wearable Sweat Sensors for Precision Medicine”为题发表在Chemical Reviews期刊上。加州理工学院Wei Gao教授为通讯作者。
图文导读
Figure 1. Overview of skin-interfaced wearable sweat sensors for personalized and precision healthcare.
Figure 2. Physiology of sweat glands and eccrine sweat secretion.
Figure 3. Electrochemical potentiometric sweat sensors.
Figure 4. Electrochemical amperometric sweat sensors.
Figure 5. Electrochemical sweat sensors using direct oxidation.
Figure 6. Wearable sweat sensors based on transistors.
Figure 7. Wearable optical sweat sensors.
Figure 8. Wearable sweat rate sensor.
Figure 9. Wearable sweat sensor based on piezoelectric and other methods.
Figure 10. Major components of a bioaffinity sensor.
总结与展望
在过去十年中，可穿戴汗液传感器领域的研究呈指数增长。这种快速增长主要归功于汗液传感在精准医疗和预防保健方面提供的巨大机会，以及众多工程领域的技术进步实现了小型化可穿戴汗液传感设备的开发。随着每年越来越多的可穿戴汗液传感设备被开发出来，阻碍可穿戴传感器广泛的商业应用的主要瓶颈已经变得更加清晰。
在设备方面，关键是要开发一个紧凑和舒适的可穿戴汗液传感系统，该系统可以通过强大的生物传感器和低功耗的无线电子仪器，全天持续地提取足够数量的汗液，进行准确和连续的生物标志物分析。关于汗液生物标志物的最初研究依赖于通过运动或热诱导汗液，将汗液的可及性限制在非常特殊的情况下。离体汗液刺激以及微流控和渗透式汗液收集技术的发展使得在静止的情况下能够收集离体汗液甚至是自然汗液。然而，目前的汗液提取技术在汗液量或汗液持续时间方面仍然存在着较大的人际差异或不足之处。虽然已经广泛开发了酶传感器和离子选择电极，用于检测常见的汗液电解质和浓度相对较高的代谢物，但包括激素和脂质在内的许多痕量级生物标志物都很难用传统的传感机制来连续评估。重要的是要开发新的传感器模式，以扩大可检测的生物标志物的范围，以及提高现有传感器的灵敏度、选择性和稳定性，以促进准确和长时间的测量。为了实现紧凑和强大的系统集成，应将低功耗和精确的电子电路与紧凑的电源结合起来。此外，系统的每一端都需要材料创新，包括传感器、电子电路、电池和能量收集器。一个集成的汗液传感器系统就像其最大和最坚硬的部件一样小而灵活，因此该设备的每一个元素都可以从集成新型材料和结构中受益，从而减少占地面积和坚硬度。尽管如此，一个完美的可穿戴汗液传感器设备本身并不足以验证其对精准医疗的价值。
尽管经过几十年的研究，人们对汗腺生理学的许多方面仍然知之甚少。虽然传感方式的进步拓宽了可检测的生物标志物的范围，并提高了生物标志物分析的准确性和检测限，但汗液生物标志物的确切分区机制和血液相关性需要进一步研究。用于模拟各种生物标志物分配途径的三维汗腺模型和由连续可穿戴汗液传感平台驱动的大规模临床验证研究可以改善生物标志物与健康状况的关系。此外，可穿戴汗液传感器的使用增加将产生溢出的汗液生物标志物数据，可以上传到云端并通过大数据和机器学习算法进行处理。这种算法有可能揭示出汗液生物标志物和健康状况之间不明显的相关性，即使病理途径并不明确。使用可穿戴汗液传感器的多重生物传感加上机器学习驱动的数据分析，代表了现代生物标志物发现的新方法，而不需要经常去医院和容忍侵入性程序。此外，考虑到传统的冯-诺依曼计算策略在处理大量非结构化云数据方面效率低下，嵌入可穿戴设备的神经形态边缘计算技术有可能更安全和高效地处理数据。
上述考虑因素为推进皮肤界面汗液传感器在医疗保健领域的实际应用带来了挑战，但同时也带来了令人兴奋的机会。从可穿戴汗液传感器中收集的个性化数据将成为个性化和精准医疗的重要基石。在个人层面上，可穿戴汗液传感器提供的关于个人健康状况的洞察力鼓励用户在健康管理中发挥积极作用。同时，未来面向消费者的可穿戴产品与临床级医疗设备之间的协同作用有望为研究人员和临床医生提供一个连接网络，并提供对个体病人的全面了解。最终，可穿戴汗液传感器与病人的日常生活和护理过程的无缝整合，有望通过允许及时启动个性化治疗来加强精准医疗，使个人的健康结果最大化。
文献链接
Skin-Interfaced Wearable Sweat Sensors for Precision Medicine
https://doi.org/10.1021/acs.chemrev.2c00823
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