湘潭大学王秀锋/宾州州立程寰宇 Adv Sci：用于汗液定量分析的皮肤可贴合双流体纸基微流控技术

2024-02-04 来源：高分子科技

由于个体生理或心理状态的波动，汗液的分泌表现出不稳定、间歇性，甚至不可预测的特征，这使得体表汗液取样及标志物浓度的准确评估变得复杂。鉴于汗液分泌率或瞬时体积的变化，依靠传统比色法进行定量检测的可穿戴微流控器件容易受影响，导致其检测结果的一致性和准确性下降。

基于此，湘潭大学材料科学与工程学院王秀锋教授团队与美国宾夕法尼亚州立大学程寰宇教授开发了一种新型体表汗液即时分析技术，即使在复杂出汗情况下，也能实时量化出汗率和生物标志物浓度，从而评估人体健康和诊断疾病。提出了一种双流道距离测量法（图1），即通过收集区中色素的流动距离得到出汗容量，采用共同入口的分析区中沉淀长度获得汗液中生物标志物的量，将两者关联即可获取生物标志物的浓度。所制备的器件可分析汗液中的氯化物浓度以评估人体的水合状态，以及汗液葡萄糖浓度以评估血糖水平（图2），还能裸眼对囊性纤维化和高血糖症等患者进行无创诊断。其无需出口的设计最大限度地减少了外部污染和样品蒸发，提高了准确性，也可在水下极端环境中使用。同时，简单的喷墨打印和激光雕刻制备技术，还能实现低成本和易可扩展性，允许为不同用户(幼儿或成人)、体表部位以及含时定制。该技术突破了现有汗液比色法检测中需要稳定出汗量才能定量分析生物标志物浓度的限制，同时摆脱了外部设备和环境因素（如比色卡、智能手机的成像软件以及照明条件等）带来的使用限制。该工作以“Skin-Interfaced Bifluidic Paper-Based Device for Quantitative Sweat Analysis”为题发表在《Advanced Science》上(Adv. Sci. 2024, doi:10.1002/advs.202306023)，文章第一作者是湘潭大学博士研究生邓慕晗。该研究得到了国家自科基金、芙蓉学者计划和湖南省自科基金等项目的支持。

图1 皮肤可贴合双流体纸基微流控器件的设计与传感策略：(a)基于双距离度量方法的双流体纸基微流控示意图；(b)同一批次制备的汗液微流控器件照片；(c)器件制作工艺示意图；(d)突出器件各功能层结构的爆炸视图；(e)各种变形及(f)水下贴合在人体皮肤上的器件照片

图2 人体汗液样本中标志物的原位分析：(a)受试者体表的器件照片；(b)两名受试者室内运动时补液前后的出汗量、体重减轻量和汗液氯化物浓度关系。(c)不同促汗形式下（匹罗卡品离子导入、运动和被动热诱导）汗液氯化物浓度；(d)出汗速率对氯化物浓度的影响；(e)两名受试者补充葡萄糖前后的汗糖浓度变化

此工作是该团队近期关于皮肤可贴合微流控与传感器件的最新进展之一。

皮肤贴合类汗液微流控芯片已在健康监测和疾病诊断领域展露头角，即时分析需要该类器件具有含时机构，而体表可贴合则需要稳定的力学结构。近年来，该团队在可穿戴微流控器件制备与力学设计方面做了一系列工作。如发展了疏水阀结合单开口腔室的延时收集技术(Lab Chip 2020, 20:2635，入选该期刊"with 21 alone in 2021")和热反馈个性化水合状态管理的汗液微流控技术(Lab Chip 2024, 24:356)。通过裂纹和褶皱的应变调控提出了微阀的并行构筑方法(ACS AMI 2021, 13:36849)。制备了用于续监测身体热状态与皮肤屏障功能的超疏水隐汗传感器(ACS nano 2023, 17:5588)、超疏水过渡金属碳氮化物/海藻酸钠压力传感器等(Chem. Eng. J. 2022, 432:134370；ACS AMI 2023, 15:38562)；利用板壳理论和能量法分析了微流控结构中的自塌顶行为(Inter. J. Solids Struct. 2017, 117:137)，建立了支柱增强储液腔结构稳定性理论模型(Appl. Phys. Lett. 2018, 113:163702)。结合凸优化算法，提出了任意形状腔体自塌陷的普适理论(Inter. J. Solids Struct. 2022, 252:111821)。建立了适应于可穿戴器件的横观层状结构模型(Extreme Mech. Lett. 2023, 63:102046；Sci. China-Technol. Sci. 2023, 66:223)。此外，综述了表面润湿性在可穿戴健康监测与能源器件中的应用(Adv. Fun. Mater. 2022, 32:2200260)，总结了比色法微流控技术在病理与生理动态分析的最新进展，提出了汗液微流控闭环系统在时间采样和自反馈方面的潜在策略(npj Flexible Electronics 2023, 7:43)。长期欢迎材料、力学、物理等专业的博士和硕士研究生加入！

参考文献：

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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（责任编辑：xu）

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