早期检测疾病依赖于对关键生物标志物的快速、持续和便捷的追踪。新加坡国立大学（NUS）和新加坡科技研究局（A*STAR）的研究人员开发了一种创新传感器，能够持续和即时监测固态表皮生物标志物（SEB），引入了一种新的健康指标形式。
由NUS健康创新与技术研究所的助理教授刘宇欣和A*STAR材料研究与工程研究所（IMRE）的首席科学家杨乐博士领导，该团队提出了一种非侵入性的方法，通过分析从皮肤直接提取的生物标志物（如胆固醇和乳酸）来评估健康状况。
这种可穿戴的、柔性水凝胶基传感器克服了依赖体液样本（如血液、尿液和汗水）现有方法的局限性。因此，它为提供持续和实时健康监测的可穿戴设备提供了一个有前景的选择，有助于早期识别心血管疾病和中风等问题。此外，它有效跟踪运动员的乳酸水平，这可以指示疲劳和组织氧缺乏，对运动表现至关重要。这一进展在慢性病管理、广泛人群筛查、远程健康监测和运动生理学等领域尤为相关。
研究结果于2024年6月12日发表在《自然材料》上，得到A*STAR高性能计算研究所、分子与细胞生物学研究所以及新加坡南洋理工大学的贡献。
创新以克服现有挑战
监测生物标志物——反映细胞活动的体液中存在的物质——传统上涉及对血液、尿液或汗水的分析。虽然有效，但这些方法存在挑战：血液测试是侵入性的且不便，尿液分析可能繁琐并且往往缺乏实时能力，而汗水检测如果个体未出汗，则可能无效，还因使用激发汗水的药物而造成不适。这些障碍使得疾病的早期诊断和治疗变得复杂。
位于皮肤外层（角质层）的固态表皮生物标志物，如胆固醇和乳酸，是与心血管疾病和糖尿病等疾病相关的有希望的指标。然而，直接检测这些生物标志物一直很棘手，因为传统的固体电极缺乏有效电化学传感SEBs所需的电荷通道。
来自NUS和A*STAR的研究团队通过前沿的传感器设计解决了这个问题。当佩戴在皮肤上时，SEB溶解到一种特别设计的离子导电水凝胶（ICH）层中，扩散通过水凝胶，并在ICH层与电子导电水凝胶（ECH）层的交界处进行酶催化的电化学反应。生成的生理数据通过柔性印刷电路板无线传输到外部接口，实现持续监测。
“我们的创新水凝胶传感器技术对于非侵入性检测皮肤上的固态生物标志物至关重要。ICH层溶解生物标志物，而ECH层促进电子传输。这种双层结构支持生物标志物的溶解、扩散和反应的连续过程。另一个关键特性是传感器的高灵敏度，即使在低生物标志物水平下也能进行精确检测，”刘助理教授表示。
“这种传感器是全球首个能够监测干燥、未出汗皮肤上的生物标志物的设备。其独特的双层水凝胶电极与皮肤上的生物标志物互动并进行检测，确立了它们作为一种新的健康指标。此外，弹性的设计使其能够贴合皮肤，提升了舒适性和准确性。这一创新可以彻底改变健康和生活方式监测，特别是对那些需要持续监督的慢性病患者，”杨博士补充道。
可靠、敏感且用户友好
与传统需要生物液体样本的传感器不同，该设备能够持续且非侵入性地直接监测皮肤上的SEB，使其在远程患者监测和大规模健康筛查中尤为有用。
在临床研究中，该传感器显示出皮肤上检测到的生物标志物水平与血液样本中的水平之间存在强相关性，确认了其作为潜在替代血液检测的准确性和可靠性，适用于管理糖尿病、高脂蛋白血症和心血管疾病等慢性问题。
传感器的高灵敏度是另一个显著优势，因为它可以以极低的浓度识别乳酸和胆固醇，接近质谱分析的灵敏度，从而确保监测的精确性。
此外，该设计将运动伪影的影响降低了三倍——运动造成的干扰可能影响传感器的位置和压力——相较于传统传感器，这一改进通过数学建模成功验证。双层水凝胶在读数上的一致性确保了可靠的监测，而其类肤的柔韧性增强了用户的舒适感。
“这一技术的一个潜在应用可以替代标准的妊娠葡萄糖耐量测试，从而减少多次抽血的需要。相反，我们的传感器可以让孕妇在家中方便地监测自己的糖水平，其准确性与传统测试相当。这项技术也将使糖尿病患者受益，从而消除频繁刺指检测的需要，”刘助理教授解释道。
“另一个可能的用途是在日常心脏健康监测上，因为心血管疾病在新加坡的死亡人数中占了近三分之一。我们的研究团队已发起了一项与心脏病专家合作的计划，建立乳酸、胆固醇和葡萄糖等生物标志物与心脏健康之间的临床相关性，”杨博士指出。
推出下一代传感器
来自NUS和A*STAR的研究人员计划通过提升传感器的耐久性和灵敏度来进一步改进传感器的性能。他们还希望整合更多的固态分析物，以扩展其对各种生物标志物的使用。通过与医院合作，他们旨在提供进一步的临床验证，并使这一技术对患者可及，特别是在持续葡萄糖监测和动态复原定量评估方面。
