可穿戴生物傳感器能夠?qū)崟r(shí)監(jiān)測(cè)佩戴者的身體狀況和周圍環(huán)境。隨著傳感器及系統(tǒng)硬件技術(shù)的不斷發(fā)展，可穿戴設(shè)備的功能日益豐富，形式更加多樣，監(jiān)測(cè)的生理指標(biāo)也更加精準(zhǔn)。如今的可穿戴傳感器正朝著高精度、持續(xù)監(jiān)測(cè)和舒適性的方向發(fā)展，為提升個(gè)性化醫(yī)療保健做出了重大貢獻(xiàn)。

基于可穿戴傳感器的遠(yuǎn)程健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)示意圖

據(jù)麥姆斯咨詢報(bào)道，近日，倫敦瑪麗女王大學(xué)（Queen Mary University of London）、佐治亞大學(xué)（University of Georgia）和紐約大學(xué)（New York University）的研究人員在Scientific Reports期刊上發(fā)表了一篇題為“Reshaping healthcare with wearable biosensors”的綜述文章，重點(diǎn)介紹了不同場(chǎng)景下用于健康監(jiān)測(cè)的可穿戴生物傳感器，以及可穿戴生物傳感器在設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)、技術(shù)發(fā)展、商業(yè)和倫理等方面的現(xiàn)狀及未來(lái)趨勢(shì)。

近年來(lái)，可穿戴設(shè)備的形態(tài)發(fā)生了翻天覆地的變化，研究方向也開(kāi)始由關(guān)注人們的日常運(yùn)動(dòng)習(xí)慣轉(zhuǎn)向解決醫(yī)療保健領(lǐng)域的重要難題，例如糖尿病患者管理和老年人遠(yuǎn)程監(jiān)控等。為了應(yīng)對(duì)這些挑戰(zhàn)，研究人員將重點(diǎn)轉(zhuǎn)向開(kāi)發(fā)各種新型的可穿戴生物傳感器。

可穿戴生物傳感器的應(yīng)用原理和分類示意圖

基于汗液的可穿戴生物傳感器

由于皮膚覆蓋了人身體的大部分區(qū)域，皮膚貼附式設(shè)備在各類可穿戴生物傳感器中備受關(guān)注。表皮生物傳感器可以實(shí)時(shí)分析生物體液中的生物標(biāo)志物，并在多種生物醫(yī)學(xué)和健身應(yīng)用中進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，近些年頗受研究關(guān)注。例如，Kim等研究人員開(kāi)發(fā)了一種離子電泳生物傳感器，能同時(shí)檢測(cè)汗液中的乙醇和組織間液（ISF）中的葡萄糖。這項(xiàng)技術(shù)采用了具有成本效益的絲網(wǎng)印刷方法，能同時(shí)對(duì)兩種表皮生物液體進(jìn)行采樣，在測(cè)量汗液乙醇和ISF葡萄糖水平方面展現(xiàn)出了巨大潛力。

表皮離子電泳生物傳感器

基于離子電滲的表皮生物傳感器

在生物監(jiān)測(cè)領(lǐng)域，離子電滲法常被用于非侵入式獲取表皮生物液，原理是通過(guò)向皮膚施加適當(dāng)?shù)?a href="http://m.makelele.cn/tags/電流/" target="_blank">電流，引導(dǎo)皮膚與傳感器之間摩擦引起離子遷移。表皮生物傳感器可用于檢測(cè)各種藥物，例如有研究人員提出一種基于汗液的可穿戴表皮生物傳感器，能夠基于毛果蕓香堿的離子電滲作用或運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生的汗液來(lái)檢測(cè)咖啡因。這個(gè)傳感器基于電流掃描技術(shù)，可以直接通過(guò)電極陽(yáng)極檢測(cè)咖啡因。這種傳感系統(tǒng)在監(jiān)測(cè)體內(nèi)藥物相互作用方面具有相當(dāng)大的潛力，未來(lái)有待進(jìn)一步開(kāi)發(fā)和研究。

基于淚液的可穿戴生物傳感器

淚液是另一種可用于評(píng)估生理健康的生物，淚液中的生物標(biāo)志物分子直接從血液中擴(kuò)散出來(lái)，能體現(xiàn)與血壓中生物標(biāo)志物濃度的正關(guān)聯(lián)。通過(guò)淚液分析，可以識(shí)別眼部問(wèn)題。例如Lin等研究人員開(kāi)發(fā)的一種用于監(jiān)測(cè)血糖水平的隱形眼鏡。這項(xiàng)研究通過(guò)可逆的共價(jià)相互作用來(lái)改變隱形眼鏡的厚度，然后由智能手機(jī)的攝像頭讀取該厚度，通過(guò)化學(xué)相互作用進(jìn)行葡萄糖傳感，從而實(shí)現(xiàn)無(wú)創(chuàng)測(cè)量葡萄糖水平。

基于唾液的可穿戴生物傳感器

唾液中的許多生物標(biāo)志物在人體內(nèi)通過(guò)直接的細(xì)胞間轉(zhuǎn)移進(jìn)入唾液，使唾液能夠反映人體的生理狀況，因此成為了替代血液分析的理想無(wú)創(chuàng)采樣方法。例如，有研究人員提出一個(gè)基于芯片實(shí)驗(yàn)室（LOC）的光學(xué)傳感器，用于測(cè)量唾液中的葡萄糖。盡管這項(xiàng)研究制作的模型需要多個(gè)組件，但它表明了從唾液中提取葡萄糖測(cè)量值的可行性。此模型還利用光電二極管和發(fā)光二極管來(lái)獲取與葡萄糖濃度相關(guān)的光吸收值。

基于唾液的LOC生物傳感器

總而言之，近年來(lái)可穿戴生物傳感器取得了諸多的進(jìn)展，但其發(fā)展仍受到一些技術(shù)問(wèn)題的制約。人機(jī)交互、智能傳感和柔性電子等領(lǐng)域的發(fā)展，與傳感技術(shù)作為可穿戴設(shè)備核心技術(shù)的進(jìn)步和普及密切相關(guān)。傳感器的尺寸、質(zhì)量、功耗、可靠性和穩(wěn)定性對(duì)于可穿戴設(shè)備的用戶體驗(yàn)、佩戴舒適性和耗電量等方面都至關(guān)重要。此外，電源、通信安全和隱私保護(hù)也是亟待解決的主要問(wèn)題。

為了應(yīng)對(duì)電源問(wèn)題，許多研究人員嘗試構(gòu)建更先進(jìn)的傳感器，以制造具有更人性化功能的可穿戴設(shè)備。目前，可拉伸導(dǎo)體、半導(dǎo)體材料和器件，以及自修復(fù)和生物相容性材料，廣泛應(yīng)用于電子皮膚物理傳感平臺(tái)，許多相關(guān)研究集中在納米材料和MEMS工藝的融合上，例如基于碳納米管、石墨烯和其他納米材料的研究。

此外，由于大多數(shù)可穿戴生物傳感器目前只能評(píng)估少量生物標(biāo)志物。未來(lái)，應(yīng)致力于開(kāi)發(fā)新的生物傳感器，并改進(jìn)非侵入性生物體液采樣，以檢測(cè)更廣泛的生物標(biāo)志物。

隨著材料科學(xué)、納米技術(shù)、通信技術(shù)和生物技術(shù)的發(fā)展，研究和合成具有新穎特性的傳感元件以擴(kuò)大可穿戴設(shè)備的檢測(cè)范圍變得越來(lái)越重要。隨著合成材料和檢測(cè)方法的持續(xù)發(fā)展，以及檢測(cè)平臺(tái)和傳輸技術(shù)的進(jìn)步，可穿戴設(shè)備在未來(lái)將展現(xiàn)出更廣闊的應(yīng)用前景。

審核編輯：劉清