加州理工高偉Nat Biomed Eng：用于監測營養代謝物的可穿戴電化學生物傳感器

Eric_zhou 1年前 (2022-08-24) 2572瀏覽

導讀

人體代謝循環中的營養物質，例如氨基酸（AAs），是評估人體健康的重要指標。這些營養物質通常在人體的血液、組織液中。傳統的檢測手段為抽血檢測。這類方法通常會給受試者帶來痛苦，此外，該方法得到的結果很大程度上反應的是抽血前一段時間的結果，然而，人體內各項指標均在一定范圍內動態變化，想要準確真實的反應人體健康狀況，需要對這類營養代謝物質進行持續性的監測。其中，汗液是一種可選的樣本。汗液中含有大量反映身體健康狀態的營養代謝物質，然而，傳統的汗液傳感器受制于汗液收集效率低，檢測標志物單一等難題，嚴重阻礙了其實際應用。

 

成果掠影

 

近日，美國加州理工學院高偉助理教授等人報道了一種可穿戴生物傳感器的通用設計策略。該策略將激光刻蝕石墨烯（LEG），電化學合成的氧化還原納米探針（RARs）和基于分子印跡聚合物（MIP）的人工抗體，以及獨特的原位再生和校準技術相結合，制備得到的可穿戴傳感器可對生物流體中的各種痕量級生物標志物進行靈敏、選擇性和連續監測。該工作還將傳感器與原位信號處理技術和無線通信技術集成，得到了一種可實時監測、分析和傳輸一體化的可穿戴汗液傳感設備（NutriTrek），可在佩戴者正常生理活動期間，實現高時間分辨率和準確性的持續性監測與分析。研究成果以題為“A wearable electrochemical biosensor for the monitoring of metabolites and nutrients”發表在國際著名期刊Nature Biomedical Engineering上。

核心創新點

 

  1. 該工作通過原位再生技術，解決了傳統電化學生物傳感器無法反復使用的難題。
  2. 該工作通過LEG，RARs和人工抗體相結合，實現了對多種代謝物和營養物質的高靈敏度監測，打破了傳統傳感器只能監測電解質，葡萄糖和乳酸鹽等物質的困境。
  3. 該工作還通過優化的多入口微流體泌汗軸突反射汗液采集技術，提升了傳統汗液傳感器汗液收集效率，實現更為準確地生物標志物監測。

 

數據概覽

圖1. 可穿戴生物傳感器“NutriTrek”的示意圖。? 2022 Springer Nature

a）營養物質，如AAs，與人體代謝之間的關系；

b）可穿戴生物傳感器“NutriTrek”的工作流程示意圖；

c-d）傳感器的示意圖和結構分解圖；

e-f）傳感器制成貼片后貼附在佩戴者手臂上；

g）傳感器信號處理與分析系統框架圖；

h）傳感器的信號在手機上顯示；

i）將傳感器集成在智能手表上。

 

圖2. LEG-MIP傳感器的原理和表征。? 2022 Springer Nature

a）LEG-MIP傳感器直接檢測電活性分子；

b-c）LEG-MIP傳感器的DPV伏安曲線，插圖為線性擬合的校準圖；

d）采用50 μM Trp緩沖液對LEG-MIP傳感器原位傳感和再生；

e）使用 LEG–RAR–MIP 傳感器進行間接分子檢測；

f）使用LEG-PBNP-MIP傳感器進行間接檢測的LSV伏安圖，插圖為線性擬合的校準圖；

g-h）使用LEG-PBNP-MIP傳感器間接檢測多種AA，維生素和代謝物；

i）多MIP AA傳感器示意圖；

j）定量分析的LSV伏安曲線；

k）原位再生；

l）使用LEG-AQCA-MIP傳感器在0.1 M KCl中循環掃描CV；

m）使用LEG-AQCA-MIP傳感器間接監測的DPV伏安圖；

n）使用LEG-AQCA-MIP傳感器在汗液中原位再生；

o）傳感器的選擇性；

p）傳感器對原始運動汗液樣品的反應。

 

圖3. 用于自動汗液誘導、采集、分析和校準的可穿戴系統設計。? 2022 Springer Nature

a）多功能可穿戴傳感器貼片的示意圖；

b-d）雙掃描傳感器校準策略；

e）具有線性擬合的電解液校準AA傳感器讀數；

f）局部汗液提取原理圖；

g-h）受刺激區和對比區局部出汗率對比；

i）120 s內微流體濃度數值模擬；

j）柔性微流體貼片的優化。

 

圖4. 可穿戴系統在多種運動模式和生理狀況下對佩戴者的監測。? 2022 Springer Nature

a-d）使用可穿戴傳感器陣列進行連續代謝物分析，并在騎行鍛煉期間進行實時傳感器校準；

e）基于多項式擬合的自定義伏安圖分析；

f-j）體育鍛煉期間的動態汗液監測；

k-o）動態分析汗液AA水平。

 

圖5. 使用LEG-MIP支鏈氨基酸傳感器對代謝綜合征危險因素進行個性化監測。? 2022 Springer Nature

a）在肥胖和T2DM個體中發現的BCAA水平升高；

b）健康組和肥胖/T2DM組支鏈氨基酸代謝與胰島素反應的密切關聯；

c）使用LEG-MIP傳感器獲得的血清和汗液總BCAA水平的相關性

d）三組參與者的離子導入提取汗液和血清測試結果；

e-f）兩名健康受試者的汗液和總支鏈氨基酸，血清胰島素（Ins）和血糖（BG）水平的動態變化；

g）評估受試者在攝入5g支鏈氨基酸后，代謝標志物的變化水平；

h）評估COVID-19陰性受試者和陽性受試者中特定標志物的代謝水平。

 

成果啟示

該工作提出了一種全新的可穿戴電化學生物傳感器設計策略，該策略通過整合大規模生產的LEG，電化學合成的RARs和“人工抗體”，輔以獨特的原位再生和校準技術，一舉解決了汗液傳感器領域內的幾大難題，包括汗液采集效率低、不能重復使用、監測標志物數量少等，對于后續設計相關的電化學生物傳感器具有重要的指導意義。該方法還集成了信號分析技術和無線信號傳輸技術，推動實現健康監測的可穿戴汗液生物傳感器邁向商業化和實用化又進了一大步。

原文鏈接

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

團隊介紹

高偉教授現為加州理工學院醫學工程助理教授和Ronald and JoAnne Willens特聘教授，Science Advances, Sensors & Diagnostics, npj Flexible Electronics期刊副主編，曾獲評美國自然科學基金委(NSF)杰出青年獎、國際醫學與生物工程科學院(AIMBE)杰出青年獎，海軍研究總署(ONR)青年科學家獎、斯隆研究獎、IEEE EMBS青年成就獎，IEEE Sensor Council技術成就獎，世界經濟論壇青年科學家, 美國化學會青年研究員獎等諸多獎項，入選麻省理工技術評論“35歲以下科技創新35人”全球榜單。實驗室的研究方向包括可穿戴設備、生物傳感器、柔性電子、微納機器人與納米醫學等。
近期在電子皮膚和可穿戴傳感器方向的研究成果匯總：
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.
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本文由我亦不離去供稿。
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