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湘潭大學王秀鋒/賓州州立程寰宇 Adv Sci：用于汗液定量分析的皮膚可貼合雙流體紙基微流控技術

2024-02-04 來源：高分子科技

由于個體生理或心理狀態的波動，汗液的分泌表現出不穩定、間歇性，甚至不可預測的特征，這使得體表汗液取樣及標志物濃度的準確評估變得復雜。鑒于汗液分泌率或瞬時體積的變化，依靠傳統比色法進行定量檢測的可穿戴微流控器件容易受影響，導致其檢測結果的一致性和準確性下降。

基于此，湘潭大學材料科學與工程學院王秀鋒教授團隊與美國賓夕法尼亞州立大學程寰宇教授開發了一種新型體表汗液即時分析技術，即使在復雜出汗情況下，也能實時量化出汗率和生物標志物濃度，從而評估人體健康和診斷疾病。提出了一種雙流道距離測量法（圖1），即通過收集區中色素的流動距離得到出汗容量，采用共同入口的分析區中沉淀長度獲得汗液中生物標志物的量，將兩者關聯即可獲取生物標志物的濃度。所制備的器件可分析汗液中的氯化物濃度以評估人體的水合狀態，以及汗液葡萄糖濃度以評估血糖水平（圖2），還能裸眼對囊性纖維化和高血糖癥等患者進行無創診斷。其無需出口的設計最大限度地減少了外部污染和樣品蒸發，提高了準確性，也可在水下極端環境中使用。同時，簡單的噴墨打印和激光雕刻制備技術，還能實現低成本和易可擴展性，允許為不同用戶(幼兒或成人)、體表部位以及含時定制。該技術突破了現有汗液比色法檢測中需要穩定出汗量才能定量分析生物標志物濃度的限制，同時擺脫了外部設備和環境因素（如比色卡、智能手機的成像軟件以及照明條件等）帶來的使用限制。該工作以“Skin-Interfaced Bifluidic Paper-Based Device for Quantitative Sweat Analysis”為題發表在《Advanced Science》上(Adv. Sci. 2024, doi:10.1002/advs.202306023)，文章第一作者是湘潭大學博士研究生鄧慕晗。該研究得到了國家自科基金、芙蓉學者計劃和湖南省自科基金等項目的支持。

圖1 皮膚可貼合雙流體紙基微流控器件的設計與傳感策略：(a)基于雙距離度量方法的雙流體紙基微流控示意圖；(b)同一批次制備的汗液微流控器件照片；(c)器件制作工藝示意圖；(d)突出器件各功能層結構的爆炸視圖；(e)各種變形及(f)水下貼合在人體皮膚上的器件照片

圖2 人體汗液樣本中標志物的原位分析：(a)受試者體表的器件照片；(b)兩名受試者室內運動時補液前后的出汗量、體重減輕量和汗液氯化物濃度關系。(c)不同促汗形式下（匹羅卡品離子導入、運動和被動熱誘導）汗液氯化物濃度；(d)出汗速率對氯化物濃度的影響；(e)兩名受試者補充葡萄糖前后的汗糖濃度變化

此工作是該團隊近期關于皮膚可貼合微流控與傳感器件的最新進展之一。

皮膚貼合類汗液微流控芯片已在健康監測和疾病診斷領域展露頭角，即時分析需要該類器件具有含時機構，而體表可貼合則需要穩定的力學結構。近年來，該團隊在可穿戴微流控器件制備與力學設計方面做了一系列工作。如發展了疏水閥結合單開口腔室的延時收集技術(Lab Chip 2020, 20:2635，入選該期刊"with 21 alone in 2021")和熱反饋個性化水合狀態管理的汗液微流控技術(Lab Chip 2024, 24:356)。通過裂紋和褶皺的應變調控提出了微閥的并行構筑方法(ACS AMI 2021, 13:36849)。制備了用于續監測身體熱狀態與皮膚屏障功能的超疏水隱汗傳感器(ACS nano 2023, 17:5588)、超疏水過渡金屬碳氮化物/海藻酸鈉壓力傳感器等(Chem. Eng. J. 2022, 432:134370；ACS AMI 2023, 15:38562)；利用板殼理論和能量法分析了微流控結構中的自塌頂行為(Inter. J. Solids Struct. 2017, 117:137)，建立了支柱增強儲液腔結構穩定性理論模型(Appl. Phys. Lett. 2018, 113:163702)。結合凸優化算法，提出了任意形狀腔體自塌陷的普適理論(Inter. J. Solids Struct. 2022, 252:111821)。建立了適應于可穿戴器件的橫觀層狀結構模型(Extreme Mech. Lett. 2023, 63:102046；Sci. China-Technol. Sci. 2023, 66:223)。此外，綜述了表面潤濕性在可穿戴健康監測與能源器件中的應用(Adv. Fun. Mater. 2022, 32:2200260)，總結了比色法微流控技術在病理與生理動態分析的最新進展，提出了汗液微流控閉環系統在時間采樣和自反饋方面的潛在策略(npj Flexible Electronics 2023, 7:43)。長期歡迎材料、力學、物理等專業的博士和碩士研究生加入！

參考文獻：

M.Deng, X. Li, K. Song, H. Yang, W. Wei, X. Duan, X. Ouyang, H. Cheng, X.F. Wang, Skin-Interfaced Bifluidic Paper-Based Device for Quantitative Sweat Analysis, Advanced Science, 2024

https://doi.org/10.1002/advs.202306023

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（責任編輯：xu）

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