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IF 66《Nature 》子刊必看综述!可穿戴传感器设计

2022-8-11 13:46| 编辑: 归去来兮| 查看: 1334| 评论: 0|来源: 小桔灯网 | 作者:动力彩虹

摘要: 要充分发挥可穿戴传感设备的潜力,仍有许多挑战和发展领域。


近日,来自于德国、英国、美国MIT的一组研究团队在顶刊Nature reviews materials上发表了一篇题为“End-to-end design of wearable sensors”的综述文章,本文详细介绍了可穿戴传感器领域的最新发展,重点介绍了传感器的材料、传感、决策和动力单元,为可穿戴设备的设计和实现建立框架。同时还分析了当前的趋势,讨论了挑战,并提出了建议,以确定该领域在未来十年如何发展,从而推进医疗保健改革。

图片来源:Nature reviews materials


01

可穿戴传感器概述

可穿戴传感器是一种集成的分析设备,允许以无创或微创的方式连续监测个人的生物特征,从而能够检测随时间推移基线值的微小生理变化。尽管组件的总数量可能因具体应用而有所不同,但可穿戴设备的常见构建块是基底和电极材料、传感单元(用于接口、采样、生物识别、信号转导和放大的元件),决策单元(用于数据收集、处理和传输的组件)和动力单元。


第一代可穿戴设备,以手表、鞋子或耳机的形式,主要侧重于通过跟踪身体活动、心率或体温等进行生物物理监测。随着第一代可穿戴设备的广泛采用和成功,重点逐渐转向无创或微创生化和多模式监测,这是实现真正个性化医疗的下一步。这些第二代可穿戴设备包括皮肤贴片、纹身、牙齿贴片、隐形眼镜等形式,以及更具侵入性的微针和可注射设备。第二代可穿戴设备的一个关键特征是使用生物流体,利用生物识别元件将特定分析物的存在转化为可检测信号。这些例子大多仍在实验室中测试,但也有一些已经商业化(包括 FreeStyle Libre glucose monitoring system和 Gx Sweat Patch))。可穿戴生化和生物物理传感器已用于检测和管理疾病以及健康应用。然而,可穿戴设备的使用超出了以人为中心的健康监测,因为它们在宠物和畜牧业市场的动物健康监测中也得到了广泛应用。


由于主要使用物理传感器的第一代可穿戴设备已经成熟,并且有许多商业实例,研究团队通过综述采样生物流体以及用于分析物传感的生物认知元件,更加重视第二代可穿戴式设备的持续发展。


可穿戴传感器开发中主要里程碑的时间表及其构建模块。图片来源:Nature reviews materials


02

基底材料

设备中的基材不仅必须具有设备部件功能所需的性能,还必须具有灵活性、弹性和韧性。研究团队主要讨论了可穿戴设备开发中使用最广泛的四类:天然材料、合成聚合物、水凝胶和无机材料。


天然材料

在可穿戴设备中使用天然材料,包括棉花、羊毛、丝绸、大麻、亚麻和甲壳素的一个好处是,相关制造方法,如编织和针织已经成熟。此外,这些材料具有耐磨基材所需的必要机械强度、灵活性和用户舒适性,并且具有生物相容性和可持续性,这是可穿戴材料的关键优势。然而,天然材料本身缺乏某些理想的物理特性,包括导电性和光学特性,由于这一限制,天然材料通常被用作可穿戴设备的辅助材料,如掺杂碳纳米管棉线,用银纳米线包覆羊毛纤维,或用石墨烯修饰丝绸等。


合成聚合物

合成聚合物是制造可穿戴传感器最广泛使用的功能材料。聚合物有多种制造方法可供选择,包括传统上天然材料来源的编织等方法,也可以使用如模塑、挤压、层压、沉积、光刻、铣削或3D打印等新技术,这种多功能性很容易实现各种形状因素。其次,聚合物系统的性质可以通过一系列广泛的物理和化学功能化来改变。但大多数由合成聚合物制成的可穿戴设备设计为一次性使用或使用寿命有限,再加上回收高级聚合物的困难,使得聚合物的可持续性较差。


水凝胶

由于水凝胶具有高度的生物相容性,水凝胶的开发主要发生在生物医学工程领域,其重点是用作可植入材料或离体细胞支架。水凝胶是一种柔软、可变形和透明的材料,其亲水性和多孔网络允许高含水量,这使得水凝胶具有高度的生物相容性,使其适用于涉及皮肤、伤口或身体界面的应用。水凝胶已被用于机械和化学传感的可穿戴设备、药物输送的仓库以及基于细胞的活体传感器的维护。


无机材料

最后一类材料是无机材料,包括金属、半导体和纳米材料。这些材料具有如高导电性等特性。此外,许多纳米材料在所需的柔性和弹性方面具有优异的机械特性。无机材料在可穿戴设备中的应用通常限于关键功能部件,用来限制成本。但无机材料的生物相容性是一个值得关注的领域,纳米材料尤其具有潜在的生物危害风险。因此,这些材料通常仅限于与用户不密切接触的可穿戴设备部分。


由于可用材料种类繁多,在确定可穿戴设备的设计时,必须考虑几个因素,包括感兴趣的具体应用、期望的性能水平、目标形状系数、原型制作和放大制造过程中的易制造性、成本和可持续性。


不同基底材料的对比。图片来源:Nature reviews materials


03

传感单元

第二代可穿戴设备传感单元的核心是对含有分析物的生物流体进行采样。然后,目标和生物认知元件之间的分子相互作用被转换为传感器输出,并通过信号转导和放大单元进行放大。


生物流体和取样。

在本节中,研究团队总结了第二代可穿戴设备所针对的不同类型的生物流体,重点关注可穿戴传感器生物采样的考虑因素和挑战。


间质液(ISF)填充细胞和组织结构之间的细胞外空间。ISF包含与血液相似的蛋白质组学和代谢组学特征,因此是生物标志物的丰富来源。可穿戴ISF采样有两种主要方法:微针和离子电渗提取。


微针通常由生物相容性合成聚合物或水凝胶制成,设计用于穿透角质层和表皮进入真皮。微针贴片的许多挑战涉及优化机械强度以防止微针弯曲或断裂、移除阵列后穿刺伤口的皮肤再密封以及使用期间的局部疼痛反应。


离子电渗疗法是利用施加在皮肤某一区域的低压电流,引起带电分子的电动迁移,以将ISF从身体中提取出来并进入外部传感器。长期连续使用的一个挑战是,提取的液体量受到施加到皮肤的电流量的限制,更高的电流会导至刺激和疼痛。一种替代的磁流体动力学方法已用于以非侵入性方式提取ISF,与反向离子导入相比,可以更快地提取ISF并减少刺激。


人们探索了汗液在葡萄糖、皮质醇和酒精的个人医疗监测应用。汗液还可以提供一种有用的途径,用于可穿戴式监测致病状态,如病毒感染、囊性纤维化或慢性炎症性疾病,包括痛风或炎症性肠病。汗液中的神经肽生物标记物可以用作神经系统疾病的潜在评估者。但对汗液的分析有几个采样挑战。但被动收集的汗液样本量很低。如使用反向离子导入诱导出汗的主动策略,与ISF提取所述挑战相同。


呼吸气溶胶的可穿戴采样和分析可以使用面罩非侵入性地实现。通过使用面罩集成生物传感器检测气溶胶中的新冠肺炎病毒核酸,证明了这一概念。对于基于气溶胶的分析,浓缩呼吸样本的自动收集并集成到生物传感器(通常在水环境中工作)是一项技术挑战。且用于面罩集成的VOC传感器的小型化是一个障碍,如果克服了这一障碍,将能够对这一重要的生物标记源进行穿戴式监测。


生物流体的比较和特征。图片来源:Nature reviews materials


信号转导和扩增。

对于可穿戴传感器,信号转导方法必须在一段时间(几天、几周或更长)内提供数据流以进行连续监测,这限制了可使用的传感方法的类型。因此,可穿戴传感器中首选的检测模式是用于量化生化和生物物理信号的机电、电、光和电化学技术。


电传感器用于可穿戴传感器监测生物电位,皮肤和设备之间的电稳定性是这种传感器的主要挑战之一。超薄功能化水凝胶等材料是提高皮肤-设备一致性和采集信号质量的解决方案。


光学转换包括用于定量生物物理和生物化学信号的比色法、等离子法、荧光法和基于吸收或反射的方法。比色传感器不精确,易于肉眼或借助智能手机摄像头读取。


生物化学传感探索了合成生物学领域开发的方法,将冻干、无细胞合成生物电路结合到柔性基板中,通过比色法、荧光法和生物发光法检测呼吸和环境中的目标(药物、代谢物或病毒)。


生物识别元件。

生物识别元件介导将生物标记物的存在与传感器输出联系起来的关键分子相互作用,是第二代可穿戴传感器的关键元件。这些组件直接参与目标分析物的灵敏和特异检测,但也必须与传感器和目标的期望操作模式兼容


生物认知元件可以是天然存在或合成的蛋白质、肽、核酸或其组合(表3)。所有元件都面临类似的挑战:生物流体采集的自动化,防止电极污染和钝化,以及生物感受器的再生以供连续使用。


酶是最早用于可穿戴设备的生物认知元件之一,由于它们的催化活性,酶能够放大信号。基于酶的可穿戴传感器的一个优点是,它们非常适合连续监测,前提是解决了产品抑制效应。

亲和蛋白结合目标生物标记物,最常见的是其他蛋白质和肽,尽管它们也可能识别较小的分子,如药物、代谢物或碳水化合物。基于抗体的饱和传感器的再生是一个显著的障碍。在可穿戴传感器中使用亲和蛋白的大多数研究都是一次性设备的演示。


适体是亲和分子,可由RNA、单链DNA或非天然(外源)核酸支架构建,其结合亲和力和特异性可与抗体相媲美。此外,适体可以化学合成,允许进行各种化学修饰,从而集成到现有的电子传感器平台中。然而,由于生物流体中存在高水平的核酸酶,使用适体的一个特别障碍是它们的快速降解。


对于任何生物认知传感元件来说,一个首要挑战是保持长期纵向监测的连续运行。这一困难的一个方面是将高效的再生方案集成到可穿戴设备中,以将传感器重置为初始状态。另一个问题是生物污染或表面钝化,这会产生假阳性或假阴性信号,或随着时间的推移侵蚀传感器的灵敏度。


生物识别元件的比较。图片来源:Nature reviews materials


04

展望

要充分发挥可穿戴传感设备的潜力,仍有许多挑战和发展领域。


从材料的角度来看,开发透气、灵活和可拉伸的材料仍然是满足可穿戴应用(如适应电子皮肤、智能贴片)严格要求的一个重要挑战。此外,对于可穿戴传感器的可持续低成本大规模生产,需要瞬态和可回收基材。另一个挑战是开发自供电的可穿戴设备,包括“绿色”电源单元(如一次性太阳能电池板或生物燃料电池)或无电源选项。这些进步可能导至独立的、完全集成的可穿戴传感器的发展,或与其他无处不在的个人设备(如智能手机)结合使用的生物传感装置的发展。


为了以可穿戴的形式实现稳健的长期(几天到几周)连续测量,传感和采样技术应进一步成熟。在这方面,先进传感装置的未来趋势包括使用微针、纳米针或非常规样品采集方法(如面罩),以实现简单、连续或按需采样,以及进一步集成微材料或纳米材料和稳定的合成生物反应以进行信号放大。此外,新的生物识别元件或分析技术(如适体、分子印迹聚合物、纳米酶、DNA酶或CRISPR分析)可用于提高灵敏度和促进长期使用。


通过在同一平台上安装不同类型的传感器和/或同时测量不同的分析物和/或样品,可通过多模式和/或多路传感提高可穿戴设备的精度。此外,对可穿戴传感器产生的超大数据集增加使用云计算或雾计算、数据挖掘和ML也将有助于更准确地预测用户的生理状态。


在可预见的未来,将可穿戴设备的能力扩展到诊断传感之外,将为第三代可穿戴设备在治疗应用中铺平道路。例如,智能绷带可以通过pH测量实时监测伤口愈合情况,在感染的情况下,还可以通过按需提供抗生物药物或抗炎药物进行治疗。另一个趋势是增强当前可穿戴连续葡萄糖监测系统的能力,以闭环方式向患者按需释放胰岛素。



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