Nature BME:同时监测血流动力学和代谢生物标志物的表皮贴片
2021-02-18 MedSci原创 MedSci原创
可穿戴传感器与远程医疗、医疗物联网和精确医疗可以提供主动和远程监测生理参数的功能。可穿戴传感器可以连续生成数据，提高患者护理质量。在一个设备上集成多个传感器非常重要，传感器集成正朝着不同传感器模式的组
可穿戴传感器与远程医疗、医疗物联网和精确医疗可以提供主动和远程监测生理参数的功能。可穿戴传感器可以连续生成数据，提高患者护理质量。在一个设备上集成多个传感器非常重要，传感器集成正朝着不同传感器模式的组合方向发展。例如将心电图电极与乳酸传感器或葡萄糖传感器结合，以监测运动员的心血管表现、新陈代谢、电解质平衡或体温。但是使用集成的混合可穿戴传感器对心血管参数，特别是血压与生物标志物水平的相关性进行深入研究仍然是未知数。
心率（HR）和血压（BP）是人体最重要的两个生命体征，能动态、直接地反映人体的生理状态。这些心血管参数可能受到各种生物标志物浓度波动的影响，这些生物标志物浓度来源于运动、压力或食物、饮料和药物的摄入等活动，这些活动可能导致突然的、有时是致命的改变。平行血压-化学传感会具有很高的临床价值，特别是对于老年人或肥胖者，或那些受糖尿病和心血管疾病影响的人，因为他们对正常日常活动的生理反应可能不同于健康人。同时监测心血管参数和生物标志物水平对许多疾病的预防、诊断和治疗都有很大的帮助。
本文提出了一种适形的、可伸缩的、集成的可穿戴传感器，它可以监测血压、心率以及葡萄糖、乳酸、咖啡因和酒精的水平，从而实现动态的、全面的健康自我监测。使用超声波传感器监测血压和心率，电化学传感器测量生物标志物的水平。将刚性和软性传感器组件，即定制的压电锆钛酸铅（PZT）超声换能器和印刷聚合物复合材料，通过创新的溶剂焊接工艺集成到一个可穿戴的保形传感器中。
用于多路传感的集成传感器的性能要求从单个传感器产生可靠的数据，两种传感模式之间没有串扰。在这里，通过在空间上分离两种成分并使用固态超声和传感水凝胶层来防止声学和电化学换能器之间的信号串扰、。该装置的设计使各个检测器之间的距离达到最佳，以确保成功的声学血压和心率传感和电化学监测。声传感器的信号产生依赖于高压和高频脉冲，这些脉冲会引起化学传感器中的信号漂移。
当预期拉伸变形时，机械稳定性是决定传感器可靠性的另一个关键因素。化学传感器的阻抗和PZT传感器的接触电阻可能随着施加在软共形器件上的应变而变化，从而导致测量信号的变化，从而影响器件的可靠性。通过开发一种基于SEBS基材料快速溶解和室温固化的溶剂钎焊工艺，实现了PZT接触件在机械应力作用下的稳定性。通过该装置对动态心血管参数和生物标记物浓度的监测，可以评估日常活动对个体生理状态的影响，并持续收集关于个体对这些日常活动的反应的数据。人体内乳酸、葡萄糖、酒精和咖啡因的水平会因日常活动而波动；此外，这些水平对血压的影响也会因个人的身体状况而异。通过该装置对动态心血管参数和生物标记物浓度的监测，可以评估日常活动对个体生理状态的影响，并持续收集关于个体对这些日常活动的反应的数据。
在志愿者中还研究了酒精和葡萄糖联合摄入对血压和心率的影响，模拟了典型的用餐期间饮酒情景。根据先前的观察，血糖水平的升高不会引起个体血压的大的变化，而饮酒后血压的升高是可以预期的。因此，当结合摄入酒精和含糖食物时，预计会对血糖水平和血压产生加性影响。此外，酒精饮料的消化以及饮酒导致的胰岛素敏感性降低，会进一步加重血糖水平和BP15的升高。另一方面，过量饮酒可导致严重的低血糖和低血压，即使与葡萄糖摄入相结合，尤其是对于胰岛素依赖型糖尿病患者。该传感器捕捉动态生物标志物和血压波动在体力活动中也得到了证实。
这种声学和电化学传感提供了用户生理状态的连续监测及其对多种日常活动和刺激的反应。因此，这种多模态可穿戴技术被证明有助于将日常活动（如运动、饮酒和进食）与血压、心率和生物标记物水平的变化相关联。这些令人鼓舞的结果支持了在单一适形可穿戴贴片上开发化学和物理传感器复杂集成的混合可穿戴传感器的可能性，用于同时监测多个相关参数。只有明智地选择材料、优化结构工程和考虑高通量制造工艺，才能实现可靠和全面的表皮传感器集成。
Sempionatto, J.R., Lin, M., Yin, L. et al. An epidermal patch for the simultaneous monitoring of haemodynamic and metabolic biomarkers. Nat Biomed Eng (2021). https://doi.org/10.1038/s41551-021-00685-1
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