早期發(fā)現(xiàn)疾病需要快速、持續(xù)和方便地監(jiān)測重要的生物標(biāo)志物。新加坡國立大學(xué) (NUS) 和新加坡科技研究局 (A*STAR) 的研究人員開發(fā)了一種新型傳感器，可以持續(xù)實(shí)時(shí)地檢測固態(tài)表皮生物標(biāo)志物 (SEB)，這是一種新的健康指標(biāo)。
該研究團(tuán)隊(duì)由新加坡國立大學(xué)健康創(chuàng)新與技術(shù)研究院、設(shè)計(jì)與工程學(xué)院 N.1 健康研究院和生物醫(yī)學(xué)工程系的助理教授劉宇欣，以及新加坡科技研究局材料研究與工程研究院(A*STAR 的 IMRE)傳感器與柔性電子系首席科學(xué)家兼負(fù)責(zé)人楊樂博士共同領(lǐng)導(dǎo)，他們的創(chuàng)新技術(shù)提供了一種非侵入性健康狀況監(jiān)測方法，即直接在皮膚上檢測膽固醇和乳酸等生物標(biāo)志物。
該團(tuán)隊(duì)的可穿戴、可拉伸、基于水凝膠的傳感器克服了當(dāng)前依賴血液、尿液和汗液等生物流體樣本的方法的局限性。這使其成為可穿戴、連續(xù)和實(shí)時(shí)健康監(jiān)測的有前途的替代方案，有助于早期發(fā)現(xiàn)心血管疾病和中風(fēng)等疾病。
它還可以有效監(jiān)測運(yùn)動(dòng)員的乳酸水平，這是疲勞和組織缺氧的指標(biāo)，會影響運(yùn)動(dòng)員的表現(xiàn)。這一發(fā)展尤其適用于慢性病管理、全民篩查、遠(yuǎn)程患者監(jiān)測和運(yùn)動(dòng)生理學(xué)等領(lǐng)域。
該團(tuán)隊(duì)的研究成果于 2024 年 6 月 12 日發(fā)表在《自然材料》雜志上。A*STAR 的高性能計(jì)算研究所和分子與細(xì)胞生物學(xué)研究所以及新加坡南洋理工大學(xué)也參與了這項(xiàng)研究。
圖片來源：新加坡國立大學(xué)
通過創(chuàng)新克服現(xiàn)有挑戰(zhàn)
監(jiān)測生物標(biāo)志物(存在于血液或其他體液中的化學(xué)物質(zhì)，可以捕捉細(xì)胞或生物體在特定時(shí)刻發(fā)生的情況)傳統(tǒng)上涉及分析血液、尿液和汗液等生物流體。雖然這些方法有效，但也面臨挑戰(zhàn)。
血液檢測具有侵入性且不方便，尿液分析繁瑣且缺乏實(shí)時(shí)性。雖然從汗液中檢測生物標(biāo)志物是非侵入性的，但受限于不活躍人群難以誘導(dǎo)出汗，以及使用誘導(dǎo)出汗藥物會造成不適。所有這些都對疾病的早期診斷和治療構(gòu)成障礙。
SEB 提供了一種引人注目的替代方案。這些生物標(biāo)記物包括膽固醇和乳酸，存在于皮膚最外層的角質(zhì)層中，并且與心血管疾病和糖尿病等疾病有很強(qiáng)的相關(guān)性。然而，直接檢測這些生物標(biāo)記物一直很困難。例如，傳統(tǒng)的固體電極缺乏必要的電荷傳輸途徑，無法實(shí)現(xiàn)對 SEB 的電化學(xué)傳感。
新加坡國立大學(xué)和新加坡科技研究局的研究團(tuán)隊(duì)通過其新穎的傳感器設(shè)計(jì)克服了這一挑戰(zhàn)。當(dāng)該設(shè)備佩戴在皮膚上時(shí)，SEB 會溶解到離子導(dǎo)電水凝膠 (ICH) 層中，擴(kuò)散通過水凝膠基質(zhì)，并在 ICH 和電子導(dǎo)電水凝膠 (ECH) 層之間的連接處發(fā)生由酶催化的電化學(xué)反應(yīng)。
然后，相關(guān)生理數(shù)據(jù)通過柔性印刷電路板無線傳輸?shù)酵獠坑脩艚缑?，提供持續(xù)監(jiān)測功能。該傳感器采用可擴(kuò)展且經(jīng)濟(jì)高效的制造工藝(稱為絲網(wǎng)印刷)生產(chǎn)。
“我們新穎的水凝膠傳感器技術(shù)是實(shí)現(xiàn)皮膚上固態(tài)生物標(biāo)志物無創(chuàng)檢測的關(guān)鍵。溶解生物標(biāo)志物的離子導(dǎo)電水凝膠層和電子導(dǎo)電水凝膠層促進(jìn)電子傳輸。
“這種雙層膜能夠使生物標(biāo)志物依次溶解、擴(kuò)散和電化學(xué)反應(yīng)。該傳感器的另一個(gè)亮點(diǎn)是靈敏度高，即使生物標(biāo)志物含量很低也能準(zhǔn)確檢測，”劉助理教授說道。
“這款可穿戴傳感器是世界上第一個(gè)可以監(jiān)測干燥或不出汗皮膚上的生物標(biāo)志物的傳感器。該傳感器的新型雙層水凝膠電極可以與我們皮膚上的生物標(biāo)志物相互作用并對其進(jìn)行檢測，從而使它們成為一類新的健康指標(biāo)?？衫斓脑O(shè)計(jì)也通過適應(yīng)我們皮膚的自然彈性來提高舒適度和準(zhǔn)確性。
楊博士說：“這項(xiàng)創(chuàng)新可以改變我們監(jiān)測健康和生活方式的方式，特別是對于那些需要持續(xù)監(jiān)測健康的慢性病患者。”
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