柔性可穿戴3D微流控平台，动态追踪汗液生物标志物
2025-10-22 10:43:37 来源：麦姆斯咨询 评论：0 点击：
本研究探索并展示了多种有前景的3D微流控结构、表面化学、界面设计和比色化学试剂，以实现高性能的下一代汗液检测和分析。
汗液是一种复杂的生物流体，包含多种生化成分，例如电解质、代谢物、小分子以及药物等。对这些物质浓度的定量测量，为追踪日常健康状况和监测疾病进展提供了一种非侵入性的方法。此外，出汗速率和总失汗量能为人体代谢、体温调节和水合状态提供有价值的信息，是生理监测中具有补充作用的关键参数。
新兴的柔性可穿戴微流控平台可以利用电化学、荧光法和/或比色法进行生化传感。比色法因其操作简便、成本低廉且易于使用而具有独特优势。经过优化的比色法，当检测组分与目标分析物发生选择性相互作用时会产生显著的颜色变化，这一特性为通过数字图像采集和颜色提取实现定量分析提供了基础。在某些情况下，甚至直接目视检查就足以保证检测的可靠性。
当前面临的实际挑战之一在于，由于个体差异，以及与饮食摄入、代谢过程、疾病状态和整体健康状况相关的其它因素，导致关键汗液生物标志物的浓度波动范围可能很宽泛。因此，兼具宽动态范围和高精度的比色检测方案，对于在不同人群和生理条件下实现可靠且具有临床意义的应用至关重要。此外，系统还需要能够应对汗液体积的大范围波动——这种体积差异源于个体差异、汗液诱导方式以及汗液收集的累积时长等因素。
据麦姆斯咨询介绍，为应对上述挑战，韩国中央大学机械工程学院助理教授Da Som Yang领导的国际研究团队最近探索并展示了多种有前景的3D微流控结构、表面化学、界面设计和比色化学试剂，以实现高性能的下一代汗液检测和分析。相关研究成果已经以“Soft, Skin-Interfaced 3D Microfluidic Systems for High Performance Assessment of Sweat Rate, Cumulative Loss and Biochemical Content”为题发表于Advanced Functional Materials期刊。
基于比色原理设计的3D汗液微流控器件示意图与图像
该研究介绍了一系列微流控设计方案以应对上述挑战，同时还介绍了用于先进生物标志物检测的比色化学反应体系。皮肤界面处的表面化学修饰和优化的微通道布局，显著提高了汗液收集效率。分析储液池和微通道连接部分的3D结构设计，能够以兼具高动态范围和高精度的方式对生化成分、出汗速率及总出汗量进行评估。这些核心创新通过整合成熟的氯离子比色检测方法，以及针对黄嘌呤和肌酐比色传感的先进化学体系，进一步提升了比色传感性能。
3D汗液微流控器件的机械特性表征
氯离子是评估人体电解质平衡的重要指标，也是囊性纤维化（CF）筛查中的关键生物标志物。黄嘌呤作为一种参与核苷酸降解的嘌呤衍生物，也是咖啡因代谢的中间产物，在摄入咖啡因后其浓度会显著升高，可反映嘌呤代谢及肾功能相关的快速变化。肌酐由肌肉中磷酸肌酸代谢产生，可用于评估肾功能、管理慢性肾病，以及监测肌酸补充剂对肌肉生长的影响。
汗液中氯离子浓度的定量比色分析
研究团队基于这些集成系统开展了全面研究，包括实验室表征和人体受试者测试。人体测试包括通过毛果芸香碱离子电渗法进行药物诱导出汗，同时结合体育锻炼或在桑拿房高温环境中诱导出汗，实现多场景汗液检测。值得注意的是，摄入补充剂后，人体动态追踪研究成功揭示了汗液中黄嘌呤和肌酐水平24小时内的波动情况。
汗液中黄嘌呤与肌酐浓度的定量比色分析
Yang博士解释了这项研究工作的动机：“我一直对与人体直接交互的柔性电子和微流控技术很感兴趣。汗液尤其关注，它是一种富含生理信息的非侵入性生物体液。然而，汗液中的生物标志物浓度会随时间动态变化，尤其是在摄入食物或营养补充剂后。由于这些标志物浓度的高低值波动很大，因此需要一种有效的工具来精确跟踪这些变化。现有的测量技术在准确性和动态范围上都存在局限性，难以捕捉这些动态变化。克服这些挑战的愿望促使了这项研究。”
研究人员通过3D微流控结构实现了创新的汗液收集和分析技术，能够同时精确测量汗液速率、总出汗量以及主要生物标志物，包括氯离子、黄嘌呤和肌酐等。此外，这项研究展示了非侵入性监测关键健康指标的能力，例如肾功能、咖啡因代谢和电解质平衡。成功的体表试验，也证明了该微流控系统在摄入食物或补充剂后追踪动态生物标志物的能力。
经效率优化的汗液收集层的制备流程、光学图像及性能表征
总体而言，研究团队超越了现有汗液传感技术的局限性，实现了宽广的动态范围和高精度。
Yang博士指出：“这项技术可应用于广泛领域，包括管理运动员状态、预防高温环境下工人的热应激，以及监测慢性肾病患者等。它还有望实现代谢和健康状况的实时非侵入性追踪，为个性化医疗和预防医学做出贡献。”
综上，本研究提出了一种柔性皮肤界面微流控平台。该平台通过采用3D结构设计、优化的微通道布局以及稳定的表面化学修饰，实现了对汗液生物标志物的高动态范围比色传感，同时还能测量出汗速率与累积出汗量。
微通道结构的光学图像、设计方案及性能表征
该微流控平台策略性地设计了多个不同深度的储液池，不仅能在分析物低浓度时实现高灵敏度检测，还能在生理相关浓度范围内的高浓度条件下实现有效检测。其锥形微流道可对宽范围的出汗量与出汗速率进行精准测量。针对氯离子，采用直接比色化学法；针对黄嘌呤与肌酐，采用酶促反应法，这些检测方法结合亲水性表面处理与横向收集通道，即便在低出汗速率下也能高效收集汗液，确保检测的特异性与准确性。
人体试验证实，该平台能够追踪摄入咖啡和肌酸后生物标志物的动态变化，这表明其在监测饮食与代谢波动、评估肾功能以及优化身体机能方面具有广泛的应用潜力。本研究明确了该传感平台的功能与动态检测范围，未来研究将重点表征肌酐、黄嘌呤等关键生物标志物在血液与汗液中的相关性，以进一步评估其临床应用价值。
总体而言，这类微流控器件具备柔性以及与皮肤相容的力学特性，能够快速、可靠地处理汗液，整合高通量比色检测功能，同时借助最新开发的制造技术，实现了规模化生产潜力。这些优势凸显了该平台成本效益高、应用范围广的特点，有望应用于个人健康状况监测、体育项目中的训练方案优化、工人安全追踪，以及需要无创实时生物标志物分析的疾病诊断领域。
论文链接：https://doi.org/10.1002/adfm.202509169
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