新型可穿戴微流控传感器，可在低出汗率下检测乳酸
2025-09-07 11:16:31 来源：麦姆斯咨询 评论：0 点击：
研究团队研发了一种新型可穿戴微流控传感器，能够持续监测低出汗率下的乳酸——人体用于分解糖分获取能量的分子。这种生物标志物可以表明体内组织的缺氧状况，这是运动员的关键表现指标，也可能是败血症或器官衰竭等严重疾病的潜在迹象。
这种非侵入性可穿戴微流控传感器，能够在低出汗条件下检测并追踪乳酸。
汗液已成为一种越来越有吸引力的人体健康监测媒介，可按需获取、数量丰富，并且含有多种重要的生物标志物。但并非每个人，尤其是危重病人，都能产生足够的汗液，以提供当前分析技术所需要的样本量。据麦姆斯咨询报道，美国宾夕法尼亚州立大学研究团队研发了一种新型可穿戴微流控传感器，能够持续监测低出汗率下的乳酸——人体用于分解糖分获取能量的分子。这种生物标志物可以表明体内组织的缺氧状况，这是运动员的关键表现指标，也可能是败血症或器官衰竭等严重疾病的潜在迹象。
上述研究成果已经发表于Small期刊。研究人员称，这款他们已申请专利的可穿戴微流控传感器像创可贴一样，可以贴在皮肤表面，与其它的可穿戴汗液传感器相比，在低强度活动（如行走）甚至躺着或在电脑前办公时，能收集多达10倍的汗液量。
可穿戴微流控汗液传感贴片的设计、结构和应用示意图
“汗液提供了一种生物标志物来源，我们可以通过非侵入性系统近乎实时地监测身体在运动时的表现，监测或管理各种健康状况。”论文共同第一作者和通讯作者、宾夕法尼亚州立大学工程科学与力学助理研究教授Farnaz Lorestani说，“挑战在于如何在不大量出汗的情况下收集汗液。我们通过设计一种颗粒状水凝胶平台解决了这一挑战，该平台能够在低活动强度下有效收集汗液。”
Lorestani表示，在人体低活动强度条件下，大多数人每分钟每平方厘米的皮肤会出汗10到100纳升，这比一滴眼泪还要小得多。传统的监测设备使用水凝胶来摄取样本并通过激光诱导石墨烯（LIG）传感器进行处理。LIG涉及利用激光照射聚合物、碳基材料或生物质材料，在其表面直接转化生成多孔石墨烯结构，这种材料非常灵敏，可以匹配探测器来准确识别生物分子。Lorestani指出，问题在于这种方法对小汗液样本无效，因为在摄取过程中会损失液体。
颗粒状凝胶支架的表征，及将其集成到微流控传感器中
为解决这一问题，研究人员进行了两项关键改进。首先，他们没有使用传统的水凝胶，而是采用了一种颗粒状凝胶支架，该支架由相互连接、被称为微凝胶的微米级凝胶颗粒组成。研究人员将支架放置在一个由LIG图案化制成的紧凑螺旋形微流控腔室中，该设计增加了表面积，以提高流体传输并减少汗液流失。支架通过皮肤安全的粘合剂固定在皮肤上，用于收集皮肤表面的汗液。这些汗液被颗粒状凝胶吸收，然后被输送到微流控腔室，最终到达能够识别乳酸的传感器。
“与之前使用的水凝胶材料相比，颗粒水凝胶支架中的多孔介质能增加吸收能力。”Lorestani说，“这可能是由于颗粒微球之间的微小空隙，这些空隙能够实现毛细驱动液体吸收，这与植物根部将水分输送到茎部的现象相同。紧凑的螺旋形微流控通道设计也有助于提高准确性和灵敏度。”
关键的是，Lorestani说，这款传感器的大小与普通创可贴相近，并采用经济实惠的材料，使其舒适，几乎有“类似皮肤”的感觉。研究团队通过将柔性传感器应用于个体，并在各种条件下（从办公室久坐，到日常活动，再到骑动感单车）进行监测来测试他们的设计。在所有条件下，研究人员发现该传感器都能够吸收足够的汗液，并在两小时内准确识别乳酸的存在。
“这项概念验证展示了一种经济高效、灵敏且多功能的柔性传感平台，可用于早期生物标志物检测。该平台适用于汗液分泌极少或零星的情况，例如在静止状态或进行轻度体力活动时。”Lorestani解释说，他还表示该平台可以通过将乳酸传感器更换为其它类型的传感器来检测其它生物标志物，“总体而言，我们的目标是让非侵入性、持续性的个性化健康监测更加普及，从而构建一个更健康的社会。这项研究工作正是朝着这个方向迈出的重要一步。”
论文链接：https://doi.org/10.1002/smll.202502655
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