微流控汗液贴片+智能手表：连续实时监测血糖、血氧和心率
2025-09-26 07:55:27   来源：麦姆斯咨询   评论：0   点击：

糖尿病是一种慢性代谢性疾病，需要细心管理以预防心脏、神经、眼睛、肾脏、血管等各种并发症。因此，在即时护理环境中自我监测血糖水平对于糖尿病管理至关重要。连续血糖监测（CGM）技术已利用多种生物液体进行广泛研究，以解决传统血液采样的局限性。其中，汗液因其无创性获取、持续分泌以及含有葡萄糖及其它代谢生物标志物而独具优势。特别是，汗液葡萄糖水平与血糖浓度密切相关，为无痛非侵入性血糖监测提供了巨大潜力。

基于汗液的血糖监测系统通常采用电化学或光学检测机制。汗液分析的关键在于获得足够多且避免污染的汗液样本。微流控系统通过精确的流体控制、低样本消耗、最小化蒸发以及增强的分析物检测，展现了很强的实用价值。包括特斯拉阀（Tesla valve）在内的无源微流控系统已被研究用于增强汗液收集、促进单向运输，进而在无需外部泵或电源的情况下提供连续采样。

图1 微流控汗液贴片集成智能手表系统示意图

据麦姆斯咨询介绍，近期，韩国浦项科技大学（POSTECH）的研究人员开发了一种基于特斯拉阀的微流控汗液贴片，结合智能手表，可利用汗液进行无创、连续的血糖监测。相关研究成果已经以“Microfluidic tesla valve sweat patch integrated smartwatch for optical continuous monitoring of glucose, oxygen, and heart rate”为题发表于Biosensors and Bioelectronics期刊。

图2 基于特斯拉阀的微流控汗液贴片制备与表征：a）微流控汗液贴片的制备流程示意图。b）特斯拉阀母模和含有葡萄糖响应性水凝胶的微流控贴片，以及微通道结构的横截面SEM图像。c）不同机械变形下的微流控贴片。d）流体通过微流控汗液贴片的自驱动流动（11.28 μL/min）。e）不同颜色染料的连续正向流动（20.14 pL/min），显示染料在经过微腔后主要通过出口附近的中央主通道传输。

图3 基于特斯拉阀的微流控汗液贴片中流体流动的计算流体动力学（CFD）模拟：a）CFD流动模拟中特斯拉阀通道内正向流动的入口和出口。b）正向流动和c）反向流动在入口速度为0.5 m/s时，特斯拉阀微通道内的速度分布云图。d）正向流动和e）反向流动沿特斯拉阀中心线测量的压力分布。

图4 用于无创光学连续监测心率、血氧和血糖水平的智能手表系统：a）用于光学连续血糖监测的智能手表。b）智能手表中带有微型LED（绿色、红色、红外）和光电探测器（PD）光学模块的印刷电路板（PCB）。c）智能手表中光学信号处理模块的系统级框图。d）使用绿色微型LED和PD监测心率。e）使用红外微型LED和PD监测血氧饱和度（SpO₂）。f）使用微流控汗液贴片装置和智能手表中的绿色微型LED/PD监测PBS溶液中的葡萄糖浓度。

在基于特斯拉阀的微流控汗液贴片中，汗液进入微流控入口，流经含有水凝胶的圆形微腔，再通过出口流出，从而实现连续样品监测。微流控贴片装置与智能手表的光学模块精确对齐，其中绿色微型LED激发水凝胶，发出的荧光由PD检测。测得的血糖水平可以通过智能手表实时无线传输到外部设备。

微流控贴片集成了一个由葡萄糖氧化酶（GOx）、过氧化氢酶（CAT）和氧敏感染料组成的葡萄糖响应型光学水凝胶传感器。葡萄糖氧化和随后的过氧化氢酶反应可以通过氧敏感染料监测，产生随汗液葡萄糖浓度变化的荧光。光学信号随后被数字化、滤波并通过应用处理器校准为血糖浓度，并在智能手表屏幕上显示，从而实现实时监测，同时最大限度地减少心率与SpO₂之间的信号干扰。

图5 利用智能手表进行在体连续汗液葡萄糖监测。a）受试者在运动期间佩戴集成微流控汗液贴片的智能手表，以及商用连续血糖监测（CGM）设备。b）智能手表的背面，显示在智能手表LED/PD模块上方，贴有微流控汗液贴片。c）三名健康受试者在进食前及进食后长达5小时内，由智能手表反映的汗液葡萄糖浓度（滞后20分钟，粉色线）与血糖仪测得的实时血糖水平（蓝色线）的比较。d）使用血糖仪（蓝色点）、商用CGM设备（黑色线）和基于智能手表的传感器（红色线）同时测量血糖水平，显示进食前后血糖随时间的趋势变化。e）智能手表测量的餐前和餐后血糖浓度。f）将集成微流控汗液贴片的智能手表与商用血糖仪（n=50）测得的血糖浓度进行比较的Clarke误差网格分析。

总结而言，研究人员将智能手表与基于特斯拉阀的微流控汗液贴片（包含光学葡萄糖传感水凝胶）集成在一起，开发了一种无创连续血糖监测平台。基于特斯拉阀的微流控汗液贴片能够在无需外部泵的情况下实现单向、自驱动的汗液传输，从而在避免蒸发和污染的同时提高了测量可靠性。葡萄糖响应性光学水凝胶表现出葡萄糖浓度依赖性的荧光变化，具有高灵敏度、选择性、稳定性和可逆性。智能手表中的多波长微型LED和PD光学模块能够在最小化信号干扰的情况下，实现对血糖、心率和SpO₂的连续实时监测。对智能手表的在体评估证实，其测得的汗液葡萄糖水平与商用血糖仪和CGM设备测得的血糖水平具有很强的相关性。综上所述，该智能手表平台为无创连续血糖监测以及心率和血氧监测提供了一种用户友好且有效的解决方案，具有进一步商业化应用的潜力。

论文链接：https://doi.org/10.1016/j.bios.2025.117925

延伸阅读：

《苹果在无创血糖监测领域的发明专利与产业布局分析》

《基于拉曼光谱的血糖监测专利态势分析-2024版》

《雅培辅理善瞬感持续血糖监测传感器产品分析》

《糖尿病管理技术及市场-2025版》

《苹果在血压监测领域的发明专利与产业布局分析》

《可穿戴传感器技术及市场-2025版》‍