无需血尿等体液采集，科学家研发固态生物标志物传感器，接近质谱法的检测限值

当前，随着远程医疗、居家医疗的兴起，医疗级数据的收集成为关键一环。

为了进行准确的分析，医生需要了解患者的生物标志物（例如葡萄糖、乳酸和胆固醇）水平，这些通常通过指尖采血测试等方式。

然而，这些方法是侵入性的，会患者导致不适和患者依从性差的问题。此外，指尖采血测试只能间歇性地进行，可能导致疾病管理效果不佳。

因此，需要一种非侵入性和连续监测人体生物标志物的方法。正因此，当前的研究普遍集中于检测汗液中生物标志物。

然而，对于不活跃、或者卧病在床的人群来说，获取汗液并不现实，因此需要一种易于获取、非侵入性和连续的生物标志物。

基于此，新加坡国立大学刘宇鑫教授团队、和新加坡科学技术研究局材料研究与工程研究所杨乐（曾入选 2023 年《麻省理工科技评论》“35 岁以下科技创新 35 人”亚太区榜单）研究员团队，发展出一种新型生物标志物类别，并将其称为固态表皮生物标志物 （SEB，Stretchable ionic–electronic bilayer），其能以固态形式存在于皮肤表面。

图｜左起：刘宇鑫、杨乐（来源：资料图）

固态生物标志物已被证明与糖尿病等慢性疾病相关，但由于收集皮肤样本的难度以及分析这些标志物需要使用复杂且昂贵的设备，所以采用目前的方法无法进行连续监测。

为了解决这些问题，他们希望开发一种新型的可穿戴传感器平台，以用于监测固态表皮生物标志物。

（来源：Nature Materials）

研究中，他们通过克服电化学传感器只能监测液态物质的问题，设计了基于电化学的固态检测原理。

这让 SEB 传感器能以非侵入性、连续和实时的方式，来监测固态表皮生物标志物，解决了患者依从性差、读数间歇、实验室测试成本昂贵等问题。

（来源：Nature Materials）

此外，它的可拉伸设计和柔性设计，确保了用户的舒适性，并能在手臂运动时减少运动伪影。

研究中，他们使用丝网印刷的方式制作了可拉伸的电极，这些电极通过了严格的电化学和机械特性测试。

同时，课题组还建立了计算模型来研究皮肤生物标志物在水凝胶层中的动力学。

（来源：Nature Materials）

然后，他们开始在人类志愿者身上进行传感器测量。通过此，验证了本次传感器可以灵敏地检测出志愿者的体表 SEB。

之后，他们证明 SEB 传感器可以准确测得 SEB 随时间的变化，特别是吃饭后有较大的起伏。 

最后，他们同时测量志愿者身上的 SEB 和血液，借此发现血液生物标志物水平和 SEB 水平之间存在的较强相关性。

据介绍，SEB 传感器利用水凝胶来溶解皮肤生物标志物，然后量化其水平。这些读数可以以无线的方式，即时发送到手机或者电脑设备上。

（来源：Nature Materials）

“这个成果也是第一个固态生物标志物的可穿戴设备。”刘宇鑫表示。

对于相关论文，审稿人称 SEB 传感器在该领域是一项开创性工作，具有开辟生物传感器新应用领域的强大潜力。

审稿人还指出，本次提出的 SEB 检测机制是非常新颖的，有望替代包括血检在内的基于体液监测的传统方式。

刘宇鑫也相信 SEB 传感器将用于医疗级监测或者诊断，因为它能长期、连续和实时地监测皮肤生物标志物。

其非侵入性特点和贴合皮肤的设计，也使其能够成为替代传统血液生物标志物测试的解决方案。

（来源：Nature Materials）

具体来说：

SEB 传感器将带来高质量的远程患者监测和慢性病管理。特别是监测糖尿病时，SEB 传感器没有针头，也不需要产生运动产生汗液，将对患者的日常生活的影响减到最低程度。

其中一个具体应用是妊娠期糖尿病筛查。对于每一个怀孕的妈妈来说，妊娠期糖尿病筛查都是很重要的测试。这个测试需要孕妈去医院每隔一小时抽血一次、共抽三次。

而使用 SEB 可穿戴设备，无需去医院、也无需抽血，只需在家里把贴片在手臂上即可。

此外，作为一个生物标记物的平台，SEB 也能用于其他很多慢性病的监测与管理。

（来源：Nature Materials）

日前，相关论文以《可拉伸离子电子双层水凝胶电子器件可实现固态表皮生物标志物的原位检测》（Stretchable ionic–electronic bilayer hydrogel electronics enable in situ detection of solid-state epidermal biomarkers）为题发在 Nature Materials[1]。

图 | 相关论文（来源：Nature Materials）

露丝·特蕾西娅·阿瓦尼（Ruth Theresia Arwani）是第一作者，新加坡国立大学刘宇鑫教授、以及新加坡科学技术研究局材料研究与工程研究所杨乐研究员担任共同通讯作者。

图 | 刘宇鑫（来源：刘宇鑫）

而在未来，他和团队将进一步提高本次 SEB 传感器的性能，比如让其能够同时测更多的生物标志物，而不是仅仅限定于小分子，也能检测包括细胞因子在内的大分子，从而把本次技术横向扩展为一个平台。

同时也将和医院合作，继续做糖尿病、高血脂等疾病的监测的研究，从而把本次技术带给更多病人。

另据悉，刘宇鑫曾入选 2022 年《麻省理工科技评论》“35 岁以下科技创新 35 人”亚太区榜单。入选理由是“他为未来的神经界面创造形变生物电子学，希望在未来通过脑机接口治愈人类疾病，甚至赋予生物新的能力。”

据介绍，从根本上说人类的神经系统是柔软、高度动态的，而现有的神经电子设备无法智能地适应如此复杂的生物微环境。

为了克服这一挑战，刘宇鑫曾开发了第一个杨氏模量与神经组织相当的植入式电子设备，成功地解决了异物反应和植入物排斥挑战。

为了适应生物体器官的动态形变，他还开发了一种柔软且有弹性的神经递质传感器阵列，首次实现了对脑-肠轴中多种神经化学信使的连续跟踪。

在与医生的合作中，该神经化学传感器已在大型动物模型中得到验证，并有可能用作抑郁症和帕金森病患者的诊断设备，以及发展通过胃肠道干预的新治疗方法。

而为了使神经界面在发育过程中与大脑和神经一起“生长”，他发明了一种新型的可植入设备，可以像活组织一样自我改变其在体内的形态，并对细胞和组织的生长做出自主反应。也就是说，形变生物电子技术能让植入式医疗设备安全地运用在儿科人群之中。未来，刘宇鑫将继续深耕这一领域，用植入式与可穿戴技术更好地造福人类生活。

参考资料：

1.Arwani, R.T., Tan, S.C.L., Sundarapandi, A.et al. Stretchable ionic–electronic bilayer hydrogel electronics enable in situ detection of solid-state epidermal biomarkers. Nat. Mater. (2024). https://doi.org/10.1038/s41563-024-01918-9

运营/排版：何晨龙

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