加州理工高伟Nat Biomed Eng：用于监测营养代谢物的可穿戴电化学生物传感器

Eric_zhou 2年前 (2022-08-24) 3055浏览

导读

人体代谢循环中的营养物质，例如氨基酸（AAs），是评估人体健康的重要指标。这些营养物质通常在人体的血液、组织液中。传统的检测手段为抽血检测。这类方法通常会给受试者带来痛苦，此外，该方法得到的结果很大程度上反应的是抽血前一段时间的结果，然而，人体内各项指标均在一定范围内动态变化，想要准确真实的反应人体健康状况，需要对这类营养代谢物质进行持续性的监测。其中，汗液是一种可选的样本。汗液中含有大量反映身体健康状态的营养代谢物质，然而，传统的汗液传感器受制于汗液收集效率低，检测标志物单一等难题，严重阻碍了其实际应用。

成果掠影

近日，美国加州理工学院高伟助理教授等人报道了一种可穿戴生物传感器的通用设计策略。该策略将激光刻蚀石墨烯（LEG），电化学合成的氧化还原纳米探针（RARs）和基于分子印迹聚合物（MIP）的人工抗体，以及独特的原位再生和校准技术相结合，制备得到的可穿戴传感器可对生物流体中的各种痕量级生物标志物进行灵敏、选择性和连续监测。该工作还将传感器与原位信号处理技术和无线通信技术集成，得到了一种可实时监测、分析和传输一体化的可穿戴汗液传感设备（NutriTrek），可在佩戴者正常生理活动期间，实现高时间分辨率和准确性的持续性监测与分析。研究成果以题为“A wearable electrochemical biosensor for the monitoring of metabolites and nutrients”发表在国际著名期刊Nature Biomedical Engineering上。

核心创新点

  1. 该工作通过原位再生技术，解决了传统电化学生物传感器无法反复使用的难题。
  2. 该工作通过LEG，RARs和人工抗体相结合，实现了对多种代谢物和营养物质的高灵敏度监测，打破了传统传感器只能监测电解质，葡萄糖和乳酸盐等物质的困境。
  3. 该工作还通过优化的多入口微流体泌汗轴突反射汗液采集技术，提升了传统汗液传感器汗液收集效率，实现更为准确地生物标志物监测。

数据概览

图1. 可穿戴生物传感器“NutriTrek”的示意图。© 2022 Springer Nature

a）营养物质，如AAs，与人体代谢之间的关系；

b）可穿戴生物传感器“NutriTrek”的工作流程示意图；

c-d）传感器的示意图和结构分解图；

e-f）传感器制成贴片后贴附在佩戴者手臂上；

g）传感器信号处理与分析系统框架图；

h）传感器的信号在手机上显示；

i）将传感器集成在智能手表上。

图2. LEG-MIP传感器的原理和表征。© 2022 Springer Nature

a）LEG-MIP传感器直接检测电活性分子；

b-c）LEG-MIP传感器的DPV伏安曲线，插图为线性拟合的校准图；

d）采用50 μM Trp缓冲液对LEG-MIP传感器原位传感和再生；

e）使用 LEG–RAR–MIP 传感器进行间接分子检测；

f）使用LEG-PBNP-MIP传感器进行间接检测的LSV伏安图，插图为线性拟合的校准图；

g-h）使用LEG-PBNP-MIP传感器间接检测多种AA，维生素和代谢物；

i）多MIP AA传感器示意图；

j）定量分析的LSV伏安曲线；

k）原位再生；

l）使用LEG-AQCA-MIP传感器在0.1 M KCl中循环扫描CV；

m）使用LEG-AQCA-MIP传感器间接监测的DPV伏安图；

n）使用LEG-AQCA-MIP传感器在汗液中原位再生；

o）传感器的选择性；

p）传感器对原始运动汗液样品的反应。

图3. 用于自动汗液诱导、采集、分析和校准的可穿戴系统设计。© 2022 Springer Nature

a）多功能可穿戴传感器贴片的示意图；

b-d）双扫描传感器校准策略；

e）具有线性拟合的电解液校准AA传感器读数；

f）局部汗液提取原理图；

g-h）受刺激区和对比区局部出汗率对比；

i）120 s内微流体浓度数值模拟；

j）柔性微流体贴片的优化。

图4. 可穿戴系统在多种运动模式和生理状况下对佩戴者的监测。© 2022 Springer Nature

a-d）使用可穿戴传感器阵列进行连续代谢物分析，并在骑行锻炼期间进行实时传感器校准；

e）基于多项式拟合的自定义伏安图分析；

f-j）体育锻炼期间的动态汗液监测；

k-o）动态分析汗液AA水平。

图5. 使用LEG-MIP支链氨基酸传感器对代谢综合征危险因素进行个性化监测。© 2022 Springer Nature

a）在肥胖和T2DM个体中发现的BCAA水平升高；

b）健康组和肥胖/T2DM组支链氨基酸代谢与胰岛素反应的密切关联；

c）使用LEG-MIP传感器获得的血清和汗液总BCAA水平的相关性

d）三组参与者的离子导入提取汗液和血清测试结果；

e-f）两名健康受试者的汗液和总支链氨基酸，血清胰岛素（Ins）和血糖（BG）水平的动态变化；

g）评估受试者在摄入5g支链氨基酸后，代谢标志物的变化水平；

h）评估COVID-19阴性受试者和阳性受试者中特定标志物的代谢水平。

成果启示

该工作提出了一种全新的可穿戴电化学生物传感器设计策略，该策略通过整合大规模生产的LEG，电化学合成的RARs和“人工抗体”，辅以独特的原位再生和校准技术，一举解决了汗液传感器领域内的几大难题，包括汗液采集效率低、不能重复使用、监测标志物数量少等，对于后续设计相关的电化学生物传感器具有重要的指导意义。该方法还集成了信号分析技术和无线信号传输技术，推动实现健康监测的可穿戴汗液生物传感器迈向商业化和实用化又进了一大步。

原文链接

Wang, M., Yang, Y., Min, J. et al. A wearable electrochemical biosensor for the monitoring of metabolites and nutrients. Nat. Biomed. Eng (2022). https://doi.org/10.1038/s41551-022-00916-z

团队介绍

高伟教授现为加州理工学院医学工程助理教授和Ronald and JoAnne Willens特聘教授，Science Advances, Sensors & Diagnostics, npj Flexible Electronics期刊副主编，曾获评美国自然科学基金委(NSF)杰出青年奖、国际医学与生物工程科学院(AIMBE)杰出青年奖，海军研究总署(ONR)青年科学家奖、斯隆研究奖、IEEE EMBS青年成就奖，IEEE Sensor Council技术成就奖，世界经济论坛青年科学家, 美国化学会青年研究员奖等诸多奖项，入选麻省理工技术评论“35岁以下滚球体育 创新35人”全球榜单。实验室的研究方向包括可穿戴设备、生物传感器、柔性电子、微纳机器人与纳米医学等。
近期在电子皮肤和可穿戴传感器方向的研究成果汇总：
Nature Biomedical Engineering, 2022, 10.1038/s41551-022-00916-z.
Science Robotics, 2022, 7, eabn0495.
Matter, 2020, 3, 1981-1998.
Science Advances, 2020, 6, eaay9842.
Science Robotics, 2020, 5, eaaz7946.
Matter, 2020, 2, 921-937.
Nature Biotechnology, 2020, 38, 217-224.
本文由我亦不离去供稿。
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