95后海南女生研发迷你汗液传感器，可代替医院血液检查，还可在长时间内逐渐持续释放营养素

吴奕欣自海南省海口市。本科就读于清华大学材料科学工程系，后进入美国西北大学同一专业攻读直博，目前是博士五年级，主要研究汗液传感器和可植入式脑神经脑刺激，毕业后打算去业界工作。

11 月 7 日，相关论文以《一种皮肤界面、微型微流控分析和输送系统，用于比色测量汗液中的营养素和通过皮肤提供的维生素的供应》（A Skin-Interfaced, Miniaturized Microfluidic Analysis and DeliverySystem for Colorimetric Measurements of Nutrients in Sweat and Supply ofVitamins Through the Skin）为题发表在 Advanced Science 上。吴奕欣为共同第一作者，她的同学栾海文也参与了该研究。
该研究主要是做营养成分、维生素和微量离子的监测，同时还制备了维生素 C 和维生素 D 离子递送的****物递送贴片。
此前检测方法一般是去医院抽血，如果检测结果不好往往再服用一些****物，这一方法既得花钱、又要耗时。而该研究的目的，是希望通过一种成本较低、使用较便捷的方式，让健康检测更方便地进行，同时还可根据检测结果来进行营养补给。
研究中，她研发出一种皮肤界面、微型微流体分析和输送系统，可通过比色法测量汗水中营养物质、以及体内维生素供应量，比色法的英文名叫 colorimetry，指的是通过比较、或测量有色物质溶液颜色深度，来确定待测组分含量的方法。

在维持核心生理功能和预防疾病上，营养物质起着关键作用。研发营养物质及其浓度的检测技术，有助于确保营养平衡。
如前文所述，此前最准确的检测方法，是直接筛查血液中的生物标志物，但这种测试只能不定期地进行，而且必须先到抽血，然后进行实验室分析。

比较理想的替代方法，是只需使用一类可被频繁无创采集的生物液体，来监测营养物质。
在各种可被无创采集的生物液体中，小汗腺汗液很有趣，与唾液和眼泪不同，它可使用安装在全身几乎任何位置的柔性微流体芯片器件进行原位收集和分析，在测量上具备可重复性、原始性和使用量较少等优点。

与此同时已有研究证明，汗液中含有许多与生理健康状况相关的生化标志物，比如微量营养物质、激素、电解质和代谢物等。

之前的研究显示，对受试者的体内测试显示，汗液中的营养物质浓度、与血液中的营养物质浓度，呈现出时间动态相关性。因此，汗液检测也可促进人类的个性化饮食选择。

整个设备是一个柔软的椭圆形，主要依赖低模量的弹性体材料制备而来，并使用软光刻和激光烧蚀技术，对设备进行图案化设计和模压处理。
设备底层由掺杂白色颜料的聚二甲基硅氧烷（PDMS）、以及具有浮雕特征的微流体结构组成。其中，聚二甲基硅氧烷的透明盖层厚度大约 200μm，它不仅能用来密封系统，同时增强可穿戴设备的机械强度。
打印在该图案薄膜上的彩色参考标记，来源于从设备的数字图像中定量提取的颜色信息，从而无需依赖环境照明的色温。

它的尺寸为 10mm × 5mm，包含被动微阀、四组一样的微通道网络和微容器等部件。每个微容器都有一种比色化学试剂，用于检测一种关键营养物质的浓度，比如维生素 C 、钙、锌和铁等。
研究中，吴同学使用 3M 公司的椭圆形医用级粘合剂，它的开口可在汗液从皮肤表面冒出时，在设备底座和皮肤之间建立密封且稳定粘合剂界面。

在人体小汗腺产生的大约 70kPa 的压力下，以及微通道网络中被动毛细血管爆裂阀（CBV）的联合作用，微容器可以充满汗液。

这些被动毛细血管爆裂阀，可以连接微流体通道和出口，从而引导汗液进入测试微容器, 同时防止过量汗液干扰容器中的传感过程。

下图是一张微型汗液微流控装置的图像，将含有相关维生素的贴片释放到皮肤表面，它们就会被动地扩散到真皮层的毛细血管床，随后扩散到整个血液中。

贴片内部还含有各种化学增强剂，可通过改变角质层的脂质结构，来增加皮肤的通透性。

它可从视觉上来提醒用户营养平衡不足，从而让人们揭开营养贴片的阻隔层，以便启动释放过程。

吴同学表示，此次提出这种可贴在皮肤界面的柔性微流控系统，具备传感能力和传输能力。可以在各种环境下监测和输送维生素 C、钙、锌和铁，不需要电子硬件支持比如电池和无线通信系统，具有简单、低成本、毫米级等优势。小巧美观的的结构也让穿戴非常舒适和时尚。
具体来说，使用简单的比色法，即可监测汗液中的营养物质，当汗液从皮肤表面通过微通道和被动阀门结构后，即可被收集在单独的微尺度储层中。当你戴上可与微流控系统集成的透皮贴片后，即可在整个佩戴期间，持续将相关物质输送到体内。将测量结果与传统实验室分析方法进行比较，证明了该平台的准确性和可靠性。

与口服维生素片相比，使用贴片型平台、并经过皮肤来传递营养素的关键优势是，可在长时间内逐渐、持续地释放。

为测试该设备的能力，吴同学与其合作者找来七位志愿者参与实验。在摄入营养物质之前，先让他们通过移动桑拿收集汗水，然后在受试者的胸部、手臂或背部贴上营养贴片。
在另一天，让这些受试者口服营养素补充剂，其中经皮注射和口服给****均于上午 8 点左右开始。


在给****后的 1、2、4、8、12 和 24 小时内，吴同学与合作者们分别对汗液中的营养物质浓度进行测量。

对人体受试者的评估重点，是监测使用营养贴片和口服复合维生素补充剂后 24 小时内汗液营养物质的浓度。
通过透皮途径给****，这些营养物质在汗液中的浓度相对稳定，相对于口服给****而言，突然增加的概率降低。

对于经皮给****来说，最初的低基线浓度迅速增加 1.3 倍，其中钙增加 1.4 倍，铁增加 1.2 倍，应用贴片 4 小时后增加 2.1 倍。

在 8 小时后，相关物质的浓度达到最大值以下，但在口服给****后的同一时间点仍高于浓度。在口服病例中，维生素C的峰值浓度比基线水平高出 1.73 倍，钙高出 1.87 倍，锌高出 1.48 倍，铁高出 2.73 倍。

这些行为与此前其他学者发表的口服剂量后血浆浓度的****代动力学报告文件相似，所有志愿者的汗液浓度达峰时间、以及浓度在体内变为原始浓度一半的时间，均与血浆相似。

这些结果表明，汗液化学至少在半一定程度上与这些物种的等离子体化学相关，并且这种行为与营养物质快速局部进入血液是一致的，即都是通过血液循环诱导的全身运输。
此外，在追踪日常生活中不同相关饮食场景的营养物质方面，该研究所涉及的可穿戴技术也很有效。

对这种能力的身体评估，包括监测食用橙汁、维生素水和谷物后汗液中营养物质浓度的变化，每一种都含有两种营养成分。

下图为 7 名人类受试者摄入上述食物前后的测量结果，显示了饮用 300 mL 橙汁后营养水平的变化，对应大约摄入量为 63 mg 维生素 C 和 20 mg 钙。维生素 C 和钙浓度显著增加，与预期一致。锌和铁的变化相对较小，与橙汁中相对缺失一致。和橙汁一样，维生素水也不含铁和锌；汗中铁和锌浓度的变化可以忽略不计。
另一方面，维生素强化谷物中含有所有可以通过这些设备测量到的营养物质。然而，谷物中的维生素 C 含量小于橙汁或维生素水，因此维生素 C 浓度的变化较低。

虽然汗液中每种营养物质浓度的变化与摄入量没有简单的线性关系，但总体趋势是随着摄入量的增加而增加。这些结果表明，通过分析可穿戴的微氟流控平台上的汗液，可以无创地评估个性化的营养信息。

概括来说，营养物质的浓度的监测及其了解在口服和经皮给****后的其浓度的动态变化，可以即时为营养平衡起到指导性作用。

结果表明，具有集成比色法的可穿戴汗液微流控系统，可产生与营养平衡直接相关的个性化数据，这对改善用户健康具有重要意义。
因此该设备可作为一种即时反馈工具，来给用户的健康饮食选择、以及该服用哪种膳食补充剂做出指导。

这些材料和制造方法，有望支持大批量生产，从而降低成本，以便在更广泛的场景中铺开。

吴同学的长远愿景，是希望一切检测都能在家进行，同时也希望能扩大监测范围，实现检测更多微量元素、氨基酸等有利于身体健康的监测等。
此外，她还希望能结合其他****物递送方式来补充营养，或者跟医院相结合。当快速检测发现疾病相关化生物标记在非正常范围，可让患者尽快在医院进行更仔细的检查和治疗。
-End-
支持：熊岳城

参考：
1、J. Kim, Y. Wu, H. Luan, D. S. Yang, D. Cho, S. S.Kwak, S. Liu, H. Ryu, R. Ghaffari, J. A. Rogers.Adv. Sci. 2021, 2103331