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这种柔软、有弹性的贴片可以同时监测佩戴者的血压和生化水平。(由加州大学圣地亚哥分校提供)

加州大学圣地亚哥分校(University of California San Diego)的工程师们开发了一种柔软、有弹性的皮肤贴片,可以戴在脖子上,持续跟踪血压和心率,同时测量佩戴者的葡萄糖、乳酸、酒精或咖啡因水平。这是第一个可同时监测心血管信号和人体多个生化水平的可穿戴设备。

这种设备可以使控制高血压和糖尿病的个人受益,这些人同时也是COVID-19重症患者的高风险人群。它还可以用于检测脓毒症的发病,其特征是血压突然下降,同时乳酸水平迅速上升。

一种软性皮肤贴片可以做到这一切,也将为重症监护病房的患者提供一个方便的选择,包括重症监护室的婴儿,他们需要持续监测血压和其他生命体征。目前这些手术包括将导管插入患者动脉深处,并将患者与多个医院监视器相连。

加州大学圣地亚哥分校(UC San Diego)的纳米工程教授约瑟夫·王(Joseph Wang)表示:“这项研究的新颖之处在于,我们将完全不同的传感器融合到一个像邮票一样小的平台上。”“通过这款可穿戴设备,我们可以以一种非侵入性的方式收集如此多的信息,不会对日常活动造成不适或干扰。”

这种贴片是一种与皮肤相适应的弹性聚合物薄片。它配备了一个血压传感器和两个化学传感器——一个用于测量汗液中的乳酸(一种体力活动的生物标记)、咖啡因和酒精的水平,另一个用于测量组织液中的葡萄糖水平。

这种贴片能够同时测量三个参数,分别来自于一个传感器:血压、葡萄糖、乳酸、酒精或咖啡因。

血压传感器位于贴片的中心附近。它由一组小型超声换能器组成,这些换能器通过导电墨水焊接在贴片上。施加在传感器上的电压使它们向人体发送超声波。当超声波从动脉反弹回来时,传感器检测回声并将信号转换为血压读数。

化学传感器是两个电极,用导电墨水丝网印刷在贴片上。感应乳酸、咖啡因和酒精的电极被印在贴片的右侧;它的工作原理是将一种叫做匹罗卡品的药物释放到皮肤中,诱导出汗,并检测汗液中的化学物质。另一个用于检测葡萄糖的电极被打印在左侧;它的工作原理是通过一个温和的电流通过皮肤释放组织液,并测量液体中的葡萄糖。

研究人员之所以对测量这些特定的生物标志物感兴趣,是因为它们会影响血压。“我们选择的参数能给我们一个更准确、更可靠的血压测量,”王博士实验室的纳米工程博士生Juliane Sempionatto说。

“假设你正在监测自己的血压,你看到血压在白天出现峰值,就认为出了什么问题。生物标记读数可以告诉你这些峰值是由于摄入了酒精还是咖啡因。这种传感器的组合可以给你这种类型的信息,”她说。

在测试中,受试者在脖子上戴着贴片,同时进行以下各种不同的任务组合:在固定自行车上锻炼;吃高糖食物;饮用含酒精饮料;喝含咖啡因的饮料。这种贴片的测量值与商业监测设备(如血压袖带、血乳酸计、血糖仪和酒精测试仪)的测量值非常匹配。在实验室中,通过测量含有咖啡因的汗液样本,验证了佩戴者的咖啡因含量。

制作贴片最大的挑战之一是消除传感器信号之间的干扰。为了做到这一点,研究人员必须找出血压传感器和化学传感器之间的最佳间距。他们发现,在保持设备尽可能小的情况下,1厘米的间距就能达到这个效果。

研究人员还必须弄清楚如何在物理上保护化学传感器不受血压传感器的影响。后者通常配备了液体超声凝胶,以产生清晰的读数。但这些化学传感器也配备了自己的水凝胶,问题是,如果任何来自血压传感器的液体凝胶流出并与其他凝胶接触,就会造成传感器之间的干扰。因此,研究人员使用了一种固体超声波凝胶,他们发现这种凝胶和液体凝胶一样有效,但没有泄漏

该团队已经在研究一个新版本的补丁,一个有更多的传感器。“我们有机会监测与各种疾病相关的其他生物标志物。我们希望为这种设备增加更多的临床价值。”Sempionatto说。

正在进行的工作还包括缩小血压传感器的电子设备。现在,传感器需要连接电源和一台台式机器来显示其读数。我们的最终目标是把所有这些都放到补丁上,让所有东西都无线化。