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重塑医疗保健行业的可穿戴生物传感器

2023-04-06 11:34:00

可穿戴生物传感器能够实时监测佩戴者的身体状况和周围环境。随着传感器及系统硬件技术的不断发展，可穿戴设备的功能日益丰富，形式更加多样，监测的生理指标也更加精准。如今的可穿戴传感器正朝着高精度、持续监测和舒适性的方向发展，为提升个性化医疗保健做出了重大贡献。

基于可穿戴传感器的远程健康监测系统示意图

据麦姆斯咨询报道，近日，伦敦玛丽女王大学（Queen Mary University of London）、佐治亚大学（University of Georgia）和纽约大学（New York University）的研究人员在Scientific Reports期刊上发表了一篇题为“Reshaping healthcare with wearable biosensors”的综述文章，重点介绍了不同场景下用于健康监测的可穿戴生物传感器，以及可穿戴生物传感器在设计开发、技术发展、商业和伦理等方面的现状及未来趋势。

近年来，可穿戴设备的形态发生了翻天覆地的变化，研究方向也开始由关注人们的日常运动习惯转向解决医疗保健领域的重要难题，例如糖尿病患者管理和老年人远程监控等。为了应对这些挑战，研究人员将重点转向开发各种新型的可穿戴生物传感器。

可穿戴生物传感器的应用原理和分类示意图

基于汗液的可穿戴生物传感器

由于皮肤覆盖了人身体的大部分区域，皮肤贴附式设备在各类可穿戴生物传感器中备受关注。表皮生物传感器可以实时分析生物体液中的生物标志物，并在多种生物医学和健身应用中进行实时监测，近些年颇受研究关注。例如，Kim等研究人员开发了一种离子电泳生物传感器，能同时检测汗液中的乙醇和组织间液（ISF）中的葡萄糖。这项技术采用了具有成本效益的丝网印刷方法，能同时对两种表皮生物液体进行采样，在测量汗液乙醇和ISF葡萄糖水平方面展现出了巨大潜力。

表皮离子电泳生物传感器

基于离子电渗的表皮生物传感器

在生物监测领域，离子电渗法常被用于非侵入式获取表皮生物液，原理是通过向皮肤施加适当的电流，引导皮肤与传感器之间摩擦引起离子迁移。表皮生物传感器可用于检测各种药物，例如有研究人员提出一种基于汗液的可穿戴表皮生物传感器，能够基于毛果芸香碱的离子电渗作用或运动产生的汗液来检测咖啡因。这个传感器基于电流扫描技术，可以直接通过电极阳极检测咖啡因。这种传感系统在监测体内药物相互作用方面具有相当大的潜力，未来有待进一步开发和研究。

基于泪液的可穿戴生物传感器

泪液是另一种可用于评估生理健康的生物，泪液中的生物标志物分子直接从血液中扩散出来，能体现与血压中生物标志物浓度的正关联。通过泪液分析，可以识别眼部问题。例如Lin等研究人员开发的一种用于监测血糖水平的隐形眼镜。这项研究通过可逆的共价相互作用来改变隐形眼镜的厚度，然后由智能手机的摄像头读取该厚度，通过化学相互作用进行葡萄糖传感，从而实现无创测量葡萄糖水平。

基于唾液的可穿戴生物传感器

唾液中的许多生物标志物在人体内通过直接的细胞间转移进入唾液，使唾液能够反映人体的生理状况，因此成为了替代血液分析的理想无创采样方法。例如，有研究人员提出一个基于芯片实验室（LOC）的光学传感器，用于测量唾液中的葡萄糖。尽管这项研究制作的模型需要多个组件，但它表明了从唾液中提取葡萄糖测量值的可行性。此模型还利用光电二极管和发光二极管来获取与葡萄糖浓度相关的光吸收值。

基于唾液的LOC生物传感器

总而言之，近年来可穿戴生物传感器取得了诸多的进展，但其发展仍受到一些技术问题的制约。人机交互、智能传感和柔性电子等领域的发展，与传感技术作为可穿戴设备核心技术的进步和普及密切相关。传感器的尺寸、质量、功耗、可靠性和稳定性对于可穿戴设备的用户体验、佩戴舒适性和耗电量等方面都至关重要。此外，电源、通信安全和隐私保护也是亟待解决的主要问题。

为了应对电源问题，许多研究人员尝试构建更先进的传感器，以制造具有更人性化功能的可穿戴设备。目前，可拉伸导体、半导体材料和器件，以及自修复和生物相容性材料，广泛应用于电子皮肤物理传感平台，许多相关研究集中在纳米材料和MEMS工艺的融合上，例如基于碳纳米管、石墨烯和其他纳米材料的研究。

此外，由于大多数可穿戴生物传感器目前只能评估少量生物标志物。未来，应致力于开发新的生物传感器，并改进非侵入性生物体液采样，以检测更广泛的生物标志物。

随着材料科学、纳米技术、通信技术和生物技术的发展，研究和合成具有新颖特性的传感元件以扩大可穿戴设备的检测范围变得越来越重要。随着合成材料和检测方法的持续发展，以及检测平台和传输技术的进步，可穿戴设备在未来将展现出更广阔的应用前景。

审核编辑：刘清

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