中山大學：基于三維組裝微針離子傳感器的生理離子波動透皮監(jiān)測可穿戴系統(tǒng)

新品亮點

1、降維加工法將片狀微針組裝成三維微針陣列；

2、基于三維微針陣列的離子傳感微針陣列系統(tǒng)包含離子傳感陣列、輔助電路和應(yīng)用程序；

3、能實時、原位地監(jiān)測皮下鈉、鉀和鈣離子的濃度變化。

研究背景

人體健康監(jiān)測和早期疾病檢測在現(xiàn)代醫(yī)學中意義重大。基于智能傳感器的可穿戴健康監(jiān)測系統(tǒng)可以附著在人體上，實時檢測健康特征，并提供及時的預(yù)警和反饋。近幾十年來，隨著新技術(shù)的出現(xiàn)，科學家們在基礎(chǔ)研究和臨床醫(yī)學方面取得了喜人的進展。可穿戴式傳感器可以輕松地貼附到人體上，采集一系列生理信息，如脈搏、血壓和血糖水平等，并將數(shù)據(jù)傳輸?shù)街悄茉O(shè)備，加以提取和分析疾病概況。近年來，多種可穿戴傳感器被用于人體健康信息的檢測。盡管這些非侵入性傳感器具有的生物安全性，但因為只能接觸到皮膚表面的物質(zhì)，所以無法直接測量體內(nèi)的生化分析物。

目前這些可穿戴傳感器的測量目標主要限于物理信號，如脈搏、心電圖、生理壓力，或分泌物如汗液、淚液中的分子。人體內(nèi)的生化標志物如離子（Na+、K+、Ca2+、pH值）和代謝物（葡萄糖、乳酸、尿酸），是人體生化檢測的重要指標，但皮膚作為身體的保護層，會阻礙外部設(shè)備對體內(nèi)生化標志物的檢測。組織間液存在于細胞間隙中，其所含小分子分析物，如代謝物（葡萄糖、乳酸）和電解質(zhì)較血漿內(nèi)的濃度接近。目前測量離子濃度多通過金屬針頭取血，容易造成創(chuàng)傷，導(dǎo)致疼痛和感染風險，因而阻礙了對體內(nèi)離子波動的長期和連續(xù)監(jiān)測。長度為500-800微米的微針頭可以穿透皮膚角質(zhì)層但不接觸血管或神經(jīng)，引起了很多人的關(guān)注。然而，基于微針陣列的可穿戴檢測設(shè)備，尤其是同時檢測不同離子的器件很少。這是因為，相比平面電極，在三維微針陣列上制備不同功能的傳感器的加工要求更高。同時，在間隔緊密、結(jié)構(gòu)緊湊的微針針尖上的修飾難度也更大。

在文章中，作者基于降維加工技術(shù)，將片狀微針集成為三維微針陣列，開發(fā)了一個離子傳感微針陣列系統(tǒng)，用于實時連續(xù)檢測皮下離子。通過激光微機械加工制造的片狀微針，并加以組裝，解決了制造具有多個電極通道的三維微針結(jié)構(gòu)的局限性，也解決了將間隔緊密的微針尖修改為不同功能類型的電極的難題。離子傳感微針陣列系統(tǒng)在檢測鈉、鉀和鈣離子濃度的實時變化方面具有足夠的敏感性，并表現(xiàn)出良好的線性響應(yīng)范圍、傳感檢測選擇性和持續(xù)穩(wěn)定性。結(jié)果表明，離子傳感微針陣列可以實時監(jiān)測大鼠皮下組織液中鈉、鉀和鈣離子的濃度變化。作者將這些微針電極集成為一個可穿戴的監(jiān)測系統(tǒng)，該系統(tǒng)可作為實時監(jiān)測人體健康的重要工具，并有可能為與生理離子變化有關(guān)的疾病提供信息反饋。

來源：傳感器專家網(wǎng)