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當(dāng)Shuai Xu著手制造一種可穿戴生物傳感器來(lái)監(jiān)測(cè)早產(chǎn)兒和新生兒的生命體征時(shí)，他面臨著一個(gè)重大挑戰(zhàn)：這些兒童的皮膚非常脆弱，用于連接傳感器的粘合劑可能會(huì)損壞皮膚，可能導(dǎo)致感染。嬰兒移動(dòng)時(shí)，堅(jiān)硬的裝置會(huì)拉扯皮膚，并且可能會(huì)將其拉向不同方向的電線，這加劇了問(wèn)題。解決方案是構(gòu)建一種柔軟且可拉伸的傳感器，采用柔性電路板和 50 毫米的細(xì)電線，這與長(zhǎng)期以來(lái)一直是此類工程支柱的剛性設(shè)備相比，這是一個(gè)巨大的變化。它被包裹在可彎曲的硅膠中，通過(guò)藍(lán)牙傳輸讀數(shù)，并使用水凝膠（一種主要由水制成的聚合物基物質(zhì)）粘在身體上。皮膚科醫(yī)生 Xu 在伊利諾伊州埃文斯頓西北大學(xué)的工程師和材料科學(xué)家 John Rogers 的實(shí)驗(yàn)室擔(dān)任博士后研究員，幫助開(kāi)發(fā)了該設(shè)備，他是軟材料的先驅(qū)。

研究人員認(rèn)為 bottlebrush 彈性體和碳納米管復(fù)合材料的渲染圖具有作為腦電極的潛在用途。圖片來(lái)源：Xu， P. et al. Nature Commun.14， 623 （2023）

Xu后來(lái)成為伊利諾伊州芝加哥 Sibel Health 的創(chuàng)始人兼首席執(zhí)行官，這是一家醫(yī)療設(shè)備公司，在 2020 年獲得了 Nature's Spinoff 獎(jiǎng)，并銷售用于健康監(jiān)測(cè)的可穿戴傳感器。Xu 面臨的挑戰(zhàn)在試圖開(kāi)發(fā)生物傳感器和制造它們的材料的研究人員中很常見(jiàn)。這些設(shè)備必須小巧輕便，并且必須以最小的刺激性連接到身體上。在某些情況下，它們需要耐用的電池和電路，以處理不斷增長(zhǎng)的人工智能算法，這些算法可以理解它們收集的數(shù)據(jù)。

據(jù)估計(jì)，2023 年全球健康傳感器市場(chǎng)價(jià)值估計(jì)為 426 億美元，預(yù)計(jì)到 2030 年將增長(zhǎng)到 1422 億美元。以前設(shè)計(jì)用于計(jì)算步數(shù)的腕戴式或手指式設(shè)備現(xiàn)在可以測(cè)量心跳和血氧水平，并且它們還加入了貼片，允許糖尿病患者持續(xù)監(jiān)測(cè)他們的血糖水平。

Xu說(shuō)。“但是還有很多其他的事情，包括生化和生物物理學(xué)，我們?nèi)匀粺o(wú)法以實(shí)際、連續(xù)的方式進(jìn)行。”弄清楚如何廉價(jià)和非侵入性地測(cè)量各種物理和化學(xué)信號(hào)可以提供可以重塑醫(yī)學(xué)的診斷信息。這可能不僅限于進(jìn)行機(jī)械測(cè)量（如心率）的傳感器。研究人員還在研究化學(xué)傳感器，這些傳感器可以檢測(cè)血液、汗液和淚液以及細(xì)胞周圍液體中的生物標(biāo)志物。

賓夕法尼亞州立大學(xué)州立大學(xué) （Pennsylvania State University） 的生物傳感器工程師艾達(dá)·易卜拉希米 （Aida Ebrahimi） 正在研究可以檢測(cè)唾液或尿液中神經(jīng)遞質(zhì)的材料，例如多巴胺、血清素、腎上腺素和去甲腎上腺素，這些物質(zhì)在帕金森氏癥或阿爾茨海默氏癥等疾病患者中會(huì)發(fā)生變化。她專注于 2D 材料，這些材料只有一個(gè)原子層厚，例如二硫化鉬。Ebrahimi 說(shuō)，對(duì)于一種“實(shí)際上，整個(gè)事物都是表面”的材料，你將在檢測(cè)非常低濃度的生物分子的能力中獲得高靈敏度。這種原子薄膜的材料特性對(duì)表面改性也很敏感。例如，附著錳分子使材料對(duì)多巴胺具有親和力，從而產(chǎn)生超靈敏檢測(cè)器。

為新生兒的敏感皮膚開(kāi)發(fā)了一種柔軟且可拉伸的傳感器。圖源：西北大學(xué)

Ebrahimi 說(shuō)，連接不同分子的類似材料可以用作其他化學(xué)物質(zhì)的傳感器，這些化學(xué)物質(zhì)可以提供有關(guān)健康的信息。她的團(tuán)隊(duì)在 2020 年構(gòu)建了一個(gè)傳感器原型，他們證明該原型可以測(cè)量多巴胺，但構(gòu)建它并驗(yàn)證它以供使用可能需要幾年時(shí)間。

一個(gè)測(cè)量挑戰(zhàn)是，許多信號(hào)傳輸，尤其是在大腦中，是通過(guò)離子的運(yùn)動(dòng)來(lái)執(zhí)行的，而大多數(shù)監(jiān)測(cè)設(shè)備旨在檢測(cè)電子流攜帶的電流。沙特阿拉伯圖瓦爾 （Thuwal） 阿卜杜拉國(guó)王科技大學(xué)（KAUST）的生物工程師 Sahika Inal 正在使用有機(jī)電化學(xué)晶體管 （OECT），這些設(shè)備可以檢測(cè)來(lái)自生物分子、細(xì)胞和脂質(zhì)層的信號(hào)，并將其轉(zhuǎn)化為可通過(guò)電子設(shè)備測(cè)量的讀數(shù)。OECT 可以使用有機(jī)混合離子-電子導(dǎo)體 （OMIECs） 構(gòu)建，這是過(guò)去幾年備受關(guān)注的焦點(diǎn)。OMIECs 是離子和電子都可以輕松流過(guò)的聚合物。當(dāng)晶體管的一部分在它所測(cè)量的特性中發(fā)生微小變化時(shí)，OMIEC 會(huì)放大該信號(hào)。因?yàn)樗且环N有機(jī)聚合物，所以這種材料比標(biāo)準(zhǔn)電子晶體管更能與人體的潮濕環(huán)境相容，標(biāo)準(zhǔn)電子晶體管必須封裝以保護(hù)其免受液體的影響。因此，可以開(kāi)發(fā)“可以直接與生物系統(tǒng)集成”的電子設(shè)備，Inal 說(shuō)。

例如，OECT 可以直接打印在皮膚表面以檢測(cè)生物信號(hào)，或者構(gòu)建在織物線上以制造經(jīng)得起洗滌的生物傳感服裝和圍巾。它們還有可能取代腦植入物中使用的剛性電極，以控制假肢裝置和監(jiān)測(cè)癲癇發(fā)作患者的電活動(dòng)。它們的柔韌性和生物相容性可能會(huì)減少對(duì)腦組織的刺激，從而降低電極的敏感性。

在多倫多大學(xué)，機(jī)械工程師 Xinyu Liu 和化學(xué)工程師 Helen Tran 開(kāi)發(fā)了另一種具有柔軟性和柔韌性的材料，可用作腦電極。被稱為 bottlebrush 彈性體，它們的橡膠狀物質(zhì)由一種分子制成，該分子具有長(zhǎng)而硬的脊柱，可保持其結(jié)構(gòu)，周圍環(huán)繞著短而靈活的刷毛，使其柔軟。為了賦予材料導(dǎo)電性，Liu 和 Tran 添加了一種填料——碳納米管或銀片和共晶鎵銦（一種液態(tài)半導(dǎo)體）的混合物。不過(guò)，他們擔(dān)心填充劑會(huì)滲出并產(chǎn)生毒性作用，因此他們想消除它。“最終，我們希望設(shè)計(jì)一種柔軟且導(dǎo)電的聚合物，”Tran說(shuō)?！斑@些要求往往是不一致的?！?/p>

Liu 的實(shí)驗(yàn)室也在研究可穿戴傳感器。一種基于水凝膠，旨在貼合皮膚并測(cè)量身體部位（例如膝蓋）彎曲時(shí)的應(yīng)變。這種設(shè)備可能有助于監(jiān)測(cè)運(yùn)動(dòng)員的表現(xiàn)或評(píng)估關(guān)節(jié)炎。他們正在開(kāi)發(fā)的另一種傳感器將氧化鋅納米線放在棉線上，以制造可以測(cè)量汗液中乳酸和鈉等物質(zhì)的電子紡織品。這種材料可以編織成襯衫或汗帶，以監(jiān)測(cè)運(yùn)動(dòng)員的健康狀況。

Xu 看到了新型生物傳感器的很多機(jī)會(huì)。“AI 正在生成新的算法，”他說(shuō)，這些算法可以集成到傳感器中，以便從它們記錄的測(cè)量值中學(xué)習(xí)并做出反應(yīng)。這需要開(kāi)發(fā)能夠與傳感器中可用的有限功率配合使用的處理器。他說(shuō)，更好的電池可能會(huì)有所幫助，從運(yùn)動(dòng)或身體熱量中收集能量等替代方案也會(huì)有所幫助。他說(shuō)，可以將讀數(shù)（例如血糖水平與心率）相結(jié)合的設(shè)備可能會(huì)帶來(lái)變革。他還希望能夠檢測(cè)可用于監(jiān)測(cè)疲勞的壓力荷爾蒙，或用于檢查患者是否服用藥物的藥物代謝物。

生物傳感器有可能收集大量有用的信息，并在日常環(huán)境中進(jìn)行收集，這可能比一次性醫(yī)生測(cè)試提供更真實(shí)的健康狀況。Xu說(shuō)，“無(wú)論你是否生病，人們不會(huì)把大部分時(shí)間花在診所或醫(yī)院。自己使用技術(shù)跟蹤健康狀況，我認(rèn)為真的很重要”。

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https://www.nature.com/articles/d41586-024-04003-y

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