人体无感的汗液传感器，助力非侵入性健康监测
2024-07-21 15:27:51 来源：麦姆斯咨询 评论：0 点击：
研究人员利用超高分子量聚乙烯（UHMWPE）纳米膜开发出了一种人体无感的汗液传感器。该传感器代表了电子皮肤在重要健康信号实时监测方面的重大进展。这项技术提供了一种舒适、准确的监测能力，可以满足市场对无创健康评估工具的需求。
据麦姆斯咨询报道，香港科技大学的研究人员利用超高分子量聚乙烯（UHMWPE）纳米膜开发出了一种人体无感的汗液传感器。该传感器代表了电子皮肤在重要健康信号实时监测方面的重大进展。这项技术提供了一种舒适、准确的监测能力，可以满足市场对无创健康评估工具的需求。
背景介绍
电子皮肤的开发需要优先考量顺应性和渗透性，旨在与皮肤表面无缝结合，同时允许必要的物质通过。专注于身体活动监测的传统设备，对于汗液中化学信息的有效捕捉面临挑战。要最大限度地提高生物标志物检测灵敏度，并确保皮肤的自然功能不受影响，需要了解皮肤渗透系统中的生物电子界面和物质传输过程。
当前研究
本研究中使用的UHMWPE纳米膜采用该研究小组开发的专利方法制备。这种膜的厚度为300纳米，可完全贴合皮肤，而且在收集汗液后易于剥离，以进行生物标志物分析。研究人员利用扫描电子显微镜（SEM）研究了薄膜的表面结构。为了最大限度地减少荷电效应，样品表面镀了一层铂。
UHMWPE纳米膜与表皮之间的结合界面及其性能示意图
为了深入了解薄膜的化学结构，研究人员对其进行了傅立叶变换红外光谱分析、拉曼光谱分析和X射线光电子能谱（XPS）分析，并使用电阻率测量系统测量了UHMWPE纳米膜的电导率。这有助于评估材料的电学特性，这对于传感器检测汗液样本中皮质醇等生物标志物的功能至关重要。
UHMWPE纳米膜中汗液传输示意图
飞行时间二次离子质谱（ToF-SIMS）氯离子和UHMWPE纳米膜的3D渲染图，显示了由于水分蒸发，氯离子在纳米膜外表面上的累积。
此外，研究人员还利用透气性测试仪对薄膜的透气性进行了评估。这项测试提供了有关薄膜透气能力的信息，而透气能力有利于佩戴传感器期间保持皮肤透气性和舒适度。
研究中使用的溶液成分通过高效液相色谱（HPLC）和离子色谱仪（IC）进行了分析。这些分析有助于确保UHMWPE纳米膜的合成和功能化过程中所使用溶液的准确性和一致性。
研究人员使用Macroduct汗液采集系统采集了汗液样本。该系统有助于无创、高效地收集汗液，以便进行后续分析和生物标志物检测。收集到的汗液样本对于评估传感器在理想范围内检测皮质醇浓度的性能至关重要。
结果与讨论
UHMWPE纳米膜展现了具有相互连接纳米孔的类皮肤状结构，从而实现了汗液和生物标志物的高效传输。扫描电子显微镜成像揭示了纳米膜的纳米纤维形态，突出了其高孔隙率和薄度。膜内纳米孔的存在，对于创建仿皮肤通道至关重要，这种通道有助于汗液分泌物的注入，从而模拟自然皮肤的功能。
MIP@UHMWPE原位合成示意图
傅立叶变换红外光谱和拉曼光谱证实了UHMWPE纳米膜与分子印迹聚合物（MIP）纳米粒子的成功合成和功能化。MIP@UHMWPE复合膜中出现了与官能团相对应的特征峰，这表明分子印迹聚合物的成功引入。X射线光电子能谱分析进一步揭示了纳米膜的元素组成和表面化学性质，验证了选择性生物标志物结合所需官能团的存在。
电导率测量证明了UHMWPE纳米膜的电学特性，这对于传感器作为有机电化学晶体管（OECT）发挥作用至关重要。该膜具有适合检测并传输与汗液生物标志物相关信号的导电性。透气性测试证实了薄膜允许空气通过的能力，确保了传感器佩戴时的皮肤透气性和舒适性，这对长期监测应用很重要。
采用Macroduct系统采集的汗液样本验证了该传感器检测浓度0.05~0.5 μM皮质醇的能力。MIP@UHMWPE复合膜的选择性吸收和传导性，实现了对汗液中皮质醇水平的准确、灵敏检测，证明了该传感器在压力监测应用方面的潜力。
UHMWPE纳米膜形成的互渗透生物电子界面确保了与皮肤的无缝结合，保留了皮肤的天然功能，并将阻抗降至最低。该传感器具有隐蔽且生物兼容的特点，适合进行连续、无创的健康监测，为个性化医疗保健应用提供了一种前景广阔的解决方案。
展望
基于UHMWPE纳米膜的人体无感的汗液传感器，为连续、无创地监测重要健康信号提供了一种前景广阔的解决方案。通过利用纳米膜的独特性能，该技术有望彻底改变个性化健康评估和可穿戴传感器应用。
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