新的皮肤贴片使我们更接近可穿戴的，一体化的健康监测器

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加州大学圣地亚哥分校的工程师开发了一种柔软、有弹性的皮肤贴片，可以戴在脖子上，持续追踪血压和心率，同时测量佩戴者的葡萄糖、乳酸、酒精或咖啡因水平。这是首款同时监测人体内心血管信号和多种生化水平的可穿戴设备。

“这种类型的可穿戴设备将非常有助于有潜在疾病的人定期监测自己的健康状况，”加州大学圣地亚哥分校的纳米工程博士生、2月15日发表在《科学》杂志上的这项研究的共同第一作者Lu Yin说自然生物医学工程．“它也可以作为远程监测患者的一个很好的工具，特别是在COVID-19大流行期间，人们尽量减少亲自去诊所看病。”

这种设备可以使管理高血压和糖尿病的人受益，这些人也有患上COVID-19重症的高风险。它还可以用于检测脓毒症的发作，其特征是血压突然下降，同时乳酸水平迅速上升。

一个柔软的皮肤贴片可以做到这一切，也为重症监护病房的病人，包括新生儿重症监护室的婴儿，提供了一个方便的选择，他们需要持续监测血压和其他生命体征。目前，这些手术包括在患者动脉深处插入导管，并将患者连接到多个医院监测器上。

这项研究的共同通讯作者、加州大学圣地亚哥分校的纳米工程教授约瑟夫·王(Joseph Wang)说:“这里的新奇之处在于，我们将完全不同的传感器合并在一个像邮票那么小的小平台上。”“我们可以通过这种可穿戴设备收集如此多的信息，而且是以一种非侵入性的方式收集信息，不会引起不适或中断日常活动。”

新补丁是加州大学圣地亚哥分校两项开创性工作的产物可穿戴传感器中心他是该公司的董事。王的实验室一直在发展能够同时监控多个信号的可穿戴设备-化学的，物理的和电生理的。在加州大学圣地亚哥分校纳米工程教授盛旭的实验室里，研究人员一直在开发柔软、有弹性的电子皮肤贴片，可以监测血压在身体的深处。通过合作，研究人员创造了第一个灵活、可拉伸的可穿戴设备，将化学传感(葡萄糖、乳酸、酒精和咖啡因)与血压监测结合起来。

“每个传感器都能提供物理或化学变化的独立图像。将它们整合到一个可穿戴的贴片上，我们可以将这些不同的图片拼接在一起，更全面地了解我们身体里正在发生的事情。”徐说，他也是这项研究的联合通讯作者。

所有行业的补丁

这种贴片是一种有弹性的聚合物薄片，可以贴合皮肤。它配备了一个血压传感器和两个化学传感器——一个用来测量汗液中乳酸盐(体力消耗的生物标志物)、咖啡因和酒精的水平，另一个用来测量组织液中的葡萄糖水平。

该贴片能够同时测量三个参数，每个传感器分别测量一个:血压、葡萄糖、乳酸、酒精或咖啡因。“理论上，我们可以同时检测到所有这些，但这需要不同的传感器设计，”尹说，他也是王实验室的博士生。

血压传感器位于贴片的中心附近。它由一组小型超声波换能器组成，由导电墨水焊接到贴片上。对换能器施加电压使它们向人体发送超声波。当超声波从动脉反弹时，传感器检测回声并将信号转换为血压读数。

化学传感器是用导电墨水丝网印刷在贴片上的两个电极。检测乳酸、咖啡因和酒精的电极印在贴片的右侧;它通过向皮肤释放一种叫做匹罗卡品的药物来诱导出汗，并检测汗液中的化学物质。另一个检测葡萄糖的电极打印在左侧;它的工作原理是通过一个温和的电流通过皮肤释放间质液并测量液体中的葡萄糖。

研究人员对测量这些特殊的生物标志物很感兴趣，因为它们会影响血压。“我们选择的参数会给我们一个更准确、更可靠的血压测量，”共同第一作者Juliane Sempionatto说，她是王实验室的纳米工程博士生。

“假设你正在监测你的血压，你在白天看到了峰值，认为有问题。但生物标记读数可以告诉你，这些峰值是由于摄入酒精或咖啡因造成的。这种传感器的组合可以为你提供这类信息。”

颈部佩戴贴片可提供最佳读数。

在测试中，受试者在脖子上戴着这个贴片，同时执行以下任务的各种组合:在健身自行车上锻炼;吃高糖食物;饮酒的:喝含酒精饮料的;喝含咖啡因的饮料。该贴片的测量结果与商用监测设备(如血压袖带、血乳酸计、血糖仪和酒精测试仪)收集的数据非常接近。在实验室中，研究人员通过测量添加了咖啡因的汗液样本来验证穿戴者体内咖啡因含量的测量结果。

工程的挑战

制作这个补丁的最大挑战之一是消除传感器信号之间的干扰。为了做到这一点，研究人员必须找出血压传感器和化学传感器之间的最佳间距。他们发现，一厘米的间距可以使设备尽可能小。

研究人员还必须弄清楚如何从物理上保护化学传感器免受血压传感器的影响。后者通常配有液体超声波凝胶，以便产生清晰的读数。但化学传感器也配备了它们自己的水凝胶，问题是，如果血压传感器中的任何液体凝胶流出并与其他凝胶接触，就会造成传感器之间的干扰。因此，研究人员使用了一种固体超声波凝胶，他们发现这种凝胶和液体凝胶一样有效，但没有泄漏。

“寻找合适的材料，优化整体布局，以无缝的方式将不同的电子器件集成在一起，这些挑战需要大量的时间来克服，”共同第一作者林慕阳说，他是徐实验室的纳米工程博士生。“我们很幸运，我们的实验室和王教授的实验室之间有这次伟大的合作。和他们一起做这个项目非常有趣。”

下一个步骤

当前的补丁原型需要用电缆连接到台式计算机和电源。

该团队已经在开发新版本的补丁，其中有更多的传感器。“有机会监测与各种疾病相关的其他生物标志物。我们希望为这种设备增加更多的临床价值，”Sempionatto说。

正在进行的工作还包括缩小血压传感器的电子设备。现在，传感器需要连接到电源和台式机器上才能显示其读数。最终的目标是把这些都放在补丁上，让一切都无线化。

“我们想要制造一个完全可穿戴的完整系统，”林说。

:“同时监测血流动力学和代谢生物标志物的表皮贴片．”

这项研究得到了加州大学圣地亚哥分校可穿戴传感器中心和国立卫生研究院的支持。1 r21eb027303-01a1)。