在急救醫(yī)療場(chǎng)景中，血液分析雖被視為生理指標(biāo)監(jiān)測(cè)的“金標(biāo)準(zhǔn)”，但其耗時(shí)長(zhǎng)、依賴(lài)實(shí)驗(yàn)室設(shè)備的特性常延誤關(guān)鍵救治時(shí)機(jī)。汗液作為富含電解質(zhì)與代謝物的非侵入性生物流體，雖具實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)潛力，卻面臨成分動(dòng)態(tài)波動(dòng)、超低濃度檢測(cè)難以及被動(dòng)分泌難以連續(xù)采集等技術(shù)瓶頸。

近日，青島大學(xué)田明偉教授/于寧主任醫(yī)師合作團(tuán)隊(duì)成功開(kāi)發(fā)出基于同軸濕法紡絲技術(shù)的可編織多生物傳感器陣列。該器件可同步檢測(cè)汗液pH值、鈉、鉀、鈣離子及體溫，靈敏度分別達(dá)39.52 mV/pH、56.33 mV/dec（Na?）、34.13 mV/dec（K?）、30.61 mV/dec（Ca2?）和1.2 Ω/°C，并在24小時(shí)內(nèi)保持極低信號(hào)漂移（離子傳感器<0.2 mV/h）。通過(guò)將該陣列與電路集成于紡織基底，團(tuán)隊(duì)構(gòu)建出無(wú)線(xiàn)發(fā)帶系統(tǒng)，為急救場(chǎng)景的早期診斷提供創(chuàng)新工具。

圖1直觀展示了該多傳感發(fā)帶系統(tǒng)的工作機(jī)制：與需實(shí)驗(yàn)室操作的血液分析相比（圖1a），佩戴于頭部的發(fā)帶（圖1b）通過(guò)內(nèi)置傳感器陣列（圖1c）實(shí)現(xiàn)無(wú)創(chuàng)監(jiān)測(cè)。其核心技術(shù)在于定向汗液捕獲結(jié)構(gòu)（圖1d）：由絲素蛋白（SF）、碳納米管（CNT）和聚乳酸（PLA）復(fù)合的傳感紗線(xiàn)（SCP）形成親水微孔通道，而疏水紡織基底產(chǎn)生潤(rùn)濕梯度，驅(qū)動(dòng)汗液定向傳輸至傳感器界面。離子選擇性膜捕獲目標(biāo)離子后，通過(guò)碳納米管收集電荷變化，轉(zhuǎn)化為電位信號(hào)輸出（圖1e）。

圖1 | 用于急救健康評(píng)估的多生物傳感發(fā)帶系統(tǒng) a) 多傳感發(fā)帶系統(tǒng)在急救場(chǎng)景下連續(xù)監(jiān)測(cè)汗液生理信號(hào)的示意圖（與血液分析對(duì)比）； b-c) 受試者佩戴發(fā)帶的光學(xué)圖像（b）及發(fā)帶內(nèi)傳感器陣列特寫(xiě)（c）。比例尺：0.5厘米； d) 發(fā)帶定向捕獲汗液的機(jī)制； e) 紡絲傳感器在汗液中的傳感機(jī)理。SCP：SF/CNT/PLA混合物；CNT：羧基化碳納米管；PLA：聚乳酸；SF：絲素蛋白。

圖2揭示了傳感紗線(xiàn)的制備工藝創(chuàng)新。傳統(tǒng)絲素蛋白（SF）分散液缺乏紡絲所需的黏彈性（圖2a），但加入PLA和CNT形成的SCP混合物黏度顯著提升（圖2b），F(xiàn)T-IR光譜證實(shí)三者相容性良好（圖2c）。通過(guò)濕法紡絲技術(shù)（圖2d），功能化SCP混合物在凝固浴中發(fā)生相分離，形成結(jié)構(gòu)均勻的單體傳感紗線(xiàn)。其中同軸結(jié)構(gòu)紗線(xiàn)（CSCP）以真絲為芯層，機(jī)械強(qiáng)度比普通SCP紗線(xiàn)提升17倍（圖2e）。6% CNT摻雜的CSCP紗線(xiàn)具備最優(yōu)電化學(xué)活性，其比表面積達(dá)20.89 m2/g（圖2f），是傳統(tǒng)涂層紗線(xiàn)的200倍，微孔結(jié)構(gòu)（200-500 nm）為汗液吸收與電子傳遞提供充足反應(yīng)位點(diǎn)（圖2g）。

圖2 | 紡絲多模態(tài)傳感器的制備與表征 a-c) CNT、SF、PLA及SCP混合物的光學(xué)圖像（a）、黏彈性對(duì)比（b）和FT-IR光譜（c）； d) 濕法紡絲技術(shù)制備單體傳感紗線(xiàn)示意圖。插圖：連續(xù)制備的紗線(xiàn)。比例尺：1厘米； e) SCP與CSCP紗線(xiàn)的應(yīng)力-應(yīng)變曲線(xiàn)。CSCP：同軸SCP紗線(xiàn)； f) 真絲紗線(xiàn)、傳統(tǒng)涂層紗線(xiàn)與CSCP紗線(xiàn)的比表面積（n=3）； g) CSCP紗線(xiàn)SEM圖像。比例尺：主圖200微米，插圖1微米。

圖3驗(yàn)證了多模態(tài)傳感器的卓越性能。pH傳感器利用聚苯胺（PANI）的質(zhì)子響應(yīng)特性，離子傳感器則通過(guò)離子載體選擇性結(jié)合目標(biāo)物（圖3a）。所有傳感器在生理范圍內(nèi)呈線(xiàn)性響應(yīng)（圖3b），抗干擾測(cè)試顯示常見(jiàn)離子（葡萄糖、銨根等）僅引起<1 mV信號(hào)波動(dòng)（圖3d-g）。溫度傳感器在25-45°C區(qū)間響應(yīng)穩(wěn)定（圖3h）。與現(xiàn)有貼片式或纖維式傳感器相比（圖3i），該紡絲傳感器靈敏度處于領(lǐng)先水平，且長(zhǎng)期穩(wěn)定性?xún)?yōu)異（60天內(nèi)信號(hào)衰減<1.66%）。

圖3 | 紡絲多模態(tài)傳感器的傳感性能 a) pH、Na?、K?、Ca2?和溫度傳感器的結(jié)構(gòu)及機(jī)理； b-c) 傳感器在PBS溶液中的電位響應(yīng)（b）與長(zhǎng)期穩(wěn)定性（c）； d-g) pH（d）、Na?（e）、K?（f）、Ca2?（g）傳感器對(duì)1mM干擾離子的選擇性； h) 溫度傳感器在生理溫度區(qū)間的響應(yīng)； i) 本傳感器與已報(bào)道貼片/纖維式傳感器的靈敏度對(duì)比。黃色區(qū)域：貼片式；粉色區(qū)域：纖維式。

圖4證實(shí)了材料的生物相容性與魯棒性。埋土降解實(shí)驗(yàn)顯示傳感器90天后失重率達(dá)68%（圖4a-b）。與小鼠成纖維細(xì)胞共培養(yǎng)72小時(shí)后，活/死染色顯示細(xì)胞存活率高（圖4c），CCK-8實(shí)驗(yàn)證實(shí)無(wú)顯著細(xì)胞毒性（圖4d）。傳感器在彎曲、扭曲等變形下信號(hào)穩(wěn)定（圖4e），經(jīng)歷30次洗滌后仍保留97%初始性能。通過(guò)刺繡與針織工藝（圖4f-h），團(tuán)隊(duì)成功將傳感紗線(xiàn)集成于織物并制成發(fā)帶（圖4i），其編織結(jié)構(gòu)兼具透氣性與皮膚貼合性。

圖4 | 紡絲多模態(tài)傳感器的生物相容性與魯棒性 a-b) 降解過(guò)程中的光學(xué)圖像（a）及失重率（b）（n=3）； c-d) 小鼠上皮細(xì)胞培養(yǎng)72小時(shí)的熒光顯微圖像（c）及CCK-8實(shí)驗(yàn)結(jié)果（d）（n=4）。比例尺：100微米； e) 不同變形下的傳感器穩(wěn)定性； f) 紡絲傳感紗線(xiàn)刺繡真絲手帕的光學(xué)圖像（微風(fēng)中）。比例尺：5厘米； g) 多傳感織物結(jié)構(gòu)示意圖； h) 傳感織物連續(xù)制備過(guò)程。比例尺：5厘米； i) 定制多傳感發(fā)帶光學(xué)圖像。比例尺：3厘米。

圖5演示了發(fā)帶系統(tǒng)的實(shí)地應(yīng)用。定制電路板集成信號(hào)處理、藍(lán)牙傳輸及陀螺儀模塊（圖5a-b），受試者佩戴發(fā)帶運(yùn)動(dòng)時(shí)（圖5c），生理數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)傳輸至手機(jī)端。系統(tǒng)在不同身體部位（手掌/頭部/手臂）采集的汗液數(shù)據(jù)一致性高（圖5e），50分鐘登山測(cè)試中（圖5f），pH值與電解質(zhì)濃度變化趨勢(shì)符合生理規(guī)律，與原位檢測(cè)結(jié)果對(duì)比準(zhǔn)確率超90%。

圖5 | 多傳感發(fā)帶系統(tǒng)的體表汗液分析 a-b) 電路模塊系統(tǒng)框圖（a）及實(shí)物圖（b）。比例尺：1厘米； c) 受試者佩戴發(fā)帶進(jìn)行健康評(píng)估； d) 人體各部位汗腺密度分布； e) 不同身體部位汗液數(shù)據(jù)一致性（n=3）； f) 受試者運(yùn)動(dòng)期間連續(xù)多模態(tài)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)。

這項(xiàng)研究通過(guò)同軸濕法紡絲技術(shù)構(gòu)建了無(wú)縫多孔傳感結(jié)構(gòu)，解決了汗液定向傳輸與電子同步傳遞的難題。其環(huán)保材料與生物相容性設(shè)計(jì)支持長(zhǎng)期皮膚接觸，無(wú)線(xiàn)發(fā)帶系統(tǒng)為遠(yuǎn)程醫(yī)療與急救健康評(píng)估提供了可靠平臺(tái)，將推動(dòng)實(shí)時(shí)健康監(jiān)測(cè)技術(shù)的革新。

來(lái)源：高分子科學(xué)前沿