Bärbara sensorteknologier är viktiga för förverkligandet av personlig medicin genom att kontinuerligt övervaka en individs hälsotillstånd 1-12. Provtagning mänsklig svett, som är rik på fysiologisk information 13, skulle kunna möjliggöra icke-invasiv övervakning. Tidigare rapporterade svettbaserade och andra icke-invasiva biosensorer kan antingen endast övervaka en enda analyt i taget eller brist på signalbehandlingskretsar och kalibreringsmekanismer för sensor för noggrann analys av det fysiologiska tillståndet [14] [15] [16] [17] [18]. Med tanke på svettsekretionens komplexitet är samtidig och multiplexerad screening av målbiomarkörer av avgörande betydelse och kräver fullständig systemintegration för att säkerställa mätnoggrannheten. Här presenterar vi en mekaniskt flexibel och helt integrerad (dvs ingen extern analys behövs) sensorsystem för multiplex in situ perspiration analys, som samtidigt och selektivt mäter svettmetaboliter (såsom glukos och laktat) och elektrolyter (såsom natrium och kaliumjoner), samt hudtemperaturen (för att kalibrera responsen av sensorerna). Vårt arbete överbryggar det tekniska gapet mellan signaltransduktion, konditionering (förstärkning och filtrering), bearbetning och trådlös överföring i bärbara biosensorer genom att slå samman plastbaserade sensorer som interface med huden med kiselintegrerade kretsar konsolideras på en flexibel kretskort för komplex signalbehandling. Denna tillämpning kunde inte ha förverkligats med hjälp av någon av dessa tekniker enbart på grund av deras respektive inneboende begränsningar. Det bärbara systemet används för att mäta den detaljerade svettprofilen hos människor som deltar i långvariga fysiska aktiviteter inomhus och utomhus, och för att göra en realtidsbedömning av försökspersonernas fysiologiska tillstånd. Denna plattform möjliggör ett brett utbud av personliga diagnostiska och fysiologiska övervakningsprogram. Bärbar elektronik är anordningar som kan bäras eller paras med människohud för att kontinuerligt och noggrant övervaka en individs aktiviteter, utan att störa eller begränsa användarens rörelser [1][2][3] [4] [5] [6] [7] [8] [9]. Bärbara biosensorer skulle således kunna möjliggöra kontinuerlig övervakning i realtid av en individs fysiologiska biomarkörer [10] [11] [12]. För närvarande är kommersiellt tillgängliga bärbara sensorer endast kapabla att spåra en individs fysiska aktiviteter och vitala tecken (såsom hjärtfrekvens), och misslyckas med att ge insikt i användarens hälsotillstånd på molekylär nivå. Mätningar av mänsklig svett kan möjliggöra sådan insikt, eftersom den innehåller fysiologiskt och metaboliskt rik information som kan hämtas icke-invasivt 13. Sweat analys används för närvarande för tillämpningar såsom sjukdomsdiagnos, drogmissbruk upptäckt, och atletisk prestandaoptimering 13. För dessa applikationer, prov insamling och analys utförs separat, misslyckas med att ge en realtidsprofil av svett innehåll sekretion, samtidigt som kräver omfattande laboratorieanalys med hjälp av skrymmande instrumentering 19. På senare tid har bärbara svettsensorer utvecklats, med vilka en mängd olika biosensorer har använts för att mäta analyter av intresse (kompletterande tabell 1) 14-18. Med tanke på de multivariata mekanismer som är involverade i svettsekretion, skulle en attraktiv strategi vara att utforma en helt integrerad multiplex avkänningssystem för att extrahera den komplexa information som finns tillgänglig från svett. Här presenterar vi en bärbar flexibel integrerad sensorsystem (FISA) för samtidig och selektiv screening av en panel av biomarkörer i svett (Fig. 1a).............................................................................................. Vår lösning överbryggar det befintliga tekniska gapet mellan signaltransduktion (elektrisk signalgenerering med sensorer), konditionering (här, förstärkning och filtrering), bearbetning (här, kalibrering och kompensation) och trådlös överföring i bärbara biosensorer genom sammanslagning av kommersiellt tillgänglig integrerad kretsteknik, konsoliderad på en flexibel tryckt kretskort (FPCB), med flexibel och överensstämmande sensorteknik tillverkad på plastsubstrat. Detta tillvägagångssätt frikopplar de stränga mekaniska kraven på sensornivå och elektriska krav på signalkonditionering, bearbetning och överföringsnivåer, och utnyttjar samtidigt de underliggande teknikernas styrkor. Den oberoende och selektiva driften av enskilda sensorer bevaras vid multiplexmätningar genom användning av mycket specifika ytkemier och genom elektrisk frikoppling av driftspunkterna för varje sensors gränssnitt. Denna plattform är ett kraftfullt verktyg för att avancera storskaliga och realtid fysiologiska och kliniska studier genom att underlätta identifiering av informativa biomarkörer i svett. Som illustreras i bild. 1a, FISA möjliggör samtidig och selektiv mätning av en panel av metaboliter och elektrolyter i mänsklig svett samt hudtemperatur under långvariga fysiska aktiviteter inomhus och utomhus. Genom att tillverka sensorerna på ett mekaniskt flexibelt substrat för polyetentereftalat (PET) bildas en stabil sensorhudkontakt, medan FPCB-tekniken utnyttjas för att integrera de kritiska signalkonditionerings-, process- och trådlösa överföringsfunktionerna med hjälp av lätt tillgängliga integrerade kretskomponenter (Fig. 1b)................................................................................................ Panelen av målanalyter och hudtemperatur valdes för att underlätta förståelsen av en individs fysiologiska tillstånd (se Kompletterande information för val av målanalyter). Till exempel, överdriven förlust av natrium och kalium i svett kan resultera i hyponatremi, hypokalemi, muskelkramper eller uttorkning 20 ; svett glukos rapporteras vara metaboliskt relaterade till blodsockret 21 ; svettlaktat kan potentiellt fungera som en känslig markör för tryckischemi ; och hudtemperaturen är kliniskt informativ om en mängd olika sjukdomar och hudskador såsom trycksår 23, 24. Dessutom behövs mätningar av hudtemperaturen för att kompensera för och eliminera påverkan av temperaturvariationer i avläsningarna av de kemiska sensorerna genom en inbyggd signalprocessor. Figur 1c illustrerar schemat för multiplexsensormatrisen (varje elektrod är 3 mm i diameter) för svettanalys; tillverkningsprocesserna beskrivs i Metoder och Extended Data Bild. 1................................................................ Här.
En mekaniskt flexibel och fullt integrerad wearable sensor array demonstrerades i REF för in situ perspiration analys.
Fully integrated wearable sensor arrays for multiplexed in situ perspiration analysis
{'venue': 'Nature', 'journal': 'Nature', 'mag_field_of_study': ['Computer Science', 'Medicine']}