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湘潭大學(xué)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(shù)
2024-02-04  來(lái)源：高分子科技

  由于個(gè)體生理或心理狀態(tài)的波動(dòng)，汗液的分泌表現(xiàn)出不穩(wěn)定、間歇性，甚至不可預(yù)測(cè)的特征，這使得體表汗液取樣及標(biāo)志物濃度的準(zhǔn)確評(píng)估變得復(fù)雜。鑒于汗液分泌率或瞬時(shí)體積的變化，依靠傳統(tǒng)比色法進(jìn)行定量檢測(cè)的可穿戴微流控器件容易受影響，導(dǎo)致其檢測(cè)結(jié)果的一致性和準(zhǔn)確性下降。


  基于此，湘潭大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院王秀鋒教授團(tuán)隊(duì)與美國(guó)賓夕法尼亞州立大學(xué)程寰宇教授開(kāi)發(fā)了一種新型體表汗液即時(shí)分析技術(shù)，即使在復(fù)雜出汗情況下，也能實(shí)時(shí)量化出汗率和生物標(biāo)志物濃度，從而評(píng)估人體健康和診斷疾病。提出了一種雙流道距離測(cè)量法（圖1），即通過(guò)收集區(qū)中色素的流動(dòng)距離得到出汗容量，采用共同入口的分析區(qū)中沉淀長(zhǎng)度獲得汗液中生物標(biāo)志物的量，將兩者關(guān)聯(lián)即可獲取生物標(biāo)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(píng)估人體的水合狀態(tài)，以及汗液葡萄糖濃度以評(píng)估血糖水平（圖2），還能裸眼對(duì)囊性纖維化和高血糖癥等患者進(jìn)行無(wú)創(chuàng)診斷。其無(wú)需出口的設(shè)計(jì)最大限度地減少了外部污染和樣品蒸發(fā)，提高了準(zhǔn)確性，也可在水下極端環(huán)境中使用。同時(shí)，簡(jiǎn)單的噴墨打印和激光雕刻制備技術(shù)，還能實(shí)現(xiàn)低成本和易可擴(kuò)展性，允許為不同用戶(hù)(幼兒或成人)、體表部位以及含時(shí)定制。該技術(shù)突破了現(xiàn)有汗液比色法檢測(cè)中需要穩(wěn)定出汗量才能定量分析生物標(biāo)志物濃度的限制，同時(shí)擺脫了外部設(shè)備和環(huán)境因素（如比色卡、智能手機(jī)的成像軟件以及照明條件等）帶來(lái)的使用限制。該工作以“Skin-Interfaced Bifluidic Paper-Based Device for Quantitative Sweat Analysis”為題發(fā)表在《Advanced Science》上(Adv. Sci. 2024, doi:10.1002/advs.202306023)，文章第一作者是湘潭大學(xué)博士研究生鄧慕晗。該研究得到了國(guó)家自科基金、芙蓉學(xué)者計(jì)劃和湖南省自科基金等項(xiàng)目的支持。
 

圖1  皮膚可貼合雙流體紙基微流控器件的設(shè)計(jì)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(jié)構(gòu)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(biāo)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(nèi)運(yùn)動(dòng)時(shí)補(bǔ)液前后的出汗量、體重減輕量和汗液氯化物濃度關(guān)系。(c)不同促汗形式下（匹羅卡品離子導(dǎo)入、運(yùn)動(dòng)和被動(dòng)熱誘導(dǎo)）汗液氯化物濃度；(d)出汗速率對(duì)氯化物濃度的影響；(e)兩名受試者補(bǔ)充葡萄糖前后的汗糖濃度變化


  此工作是該團(tuán)隊(duì)近期關(guān)于皮膚可貼合微流控與傳感器件的最新進(jìn)展之一。


  皮膚貼合類(lèi)汗液微流控芯片已在健康監(jiān)測(cè)和疾病診斷領(lǐng)域展露頭角，即時(shí)分析需要該類(lèi)器件具有含時(shí)機(jī)構(gòu)，而體表可貼合則需要穩(wěn)定的力學(xué)結(jié)構(gòu)。近年來(lái)，該團(tuán)隊(duì)在可穿戴微流控器件制備與力學(xué)設(shè)計(jì)方面做了一系列工作。如發(fā)展了疏水閥結(jié)合單開(kāi)口腔室的延時(shí)收集技術(shù)(Lab Chip 2020, 20:2635，入選該期刊"with 21 alone in 2021")和熱反饋個(gè)性化水合狀態(tài)管理的汗液微流控技術(shù)(Lab Chip 2024, 24:356)。通過(guò)裂紋和褶皺的應(yīng)變調(diào)控提出了微閥的并行構(gòu)筑方法(ACS AMI 2021, 13:36849)。制備了用于續(xù)監(jiān)測(cè)身體熱狀態(tài)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(guò)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(jié)構(gòu)中的自塌頂行為(Inter. J. Solids Struct. 2017, 117:137)，建立了支柱增強(qiáng)儲(chǔ)液腔結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性理論模型(Appl. Phys. Lett. 2018, 113:163702)。結(jié)合凸優(yōu)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(yīng)于可穿戴器件的橫觀層狀結(jié)構(gòu)模型(Extreme Mech. Lett. 2023, 63:102046；Sci. China-Technol. Sci. 2023, 66:223)。此外，綜述了表面潤(rùn)濕性在可穿戴健康監(jiān)測(cè)與能源器件中的應(yīng)用(Adv. Fun. Mater. 2022, 32:2200260)，總結(jié)了比色法微流控技術(shù)在病理與生理動(dòng)態(tài)分析的最新進(jìn)展，提出了汗液微流控閉環(huán)系統(tǒng)在時(shí)間采樣和自反饋方面的潛在策略(npj Flexible Electronics 2023, 7:43)。長(zhǎng)期歡迎材料、力學(xué)、物理等專(zhuān)業(yè)的博士和碩士研究生加入！


  參考文獻(xiàn)：

  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(zé)任編輯：xu）
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