日前，加利福尼亞大學聖地亞哥分校（UCSD）的工程師們開發出了一款柔軟而有彈性的皮膚貼片。将它貼在脖子上，就可以連續監測佩戴者的血壓和心率，同時測量葡萄糖、乳酸、酒精或咖啡因的含量。據介紹，這是第一台能夠同時監測心血管指标和人體多項生化水平的可穿戴設備。

該校納米工程學博士Lu Yin說：“這種可穿戴設備将有助于患有基礎疾病的人定期監測身體健康。它還可以作為遠程監測患者狀況的工具，尤其是在疫情期間人們不方便前往醫院時。” 這項研究于2月15日發表在《自然生物醫學工程》（Nature Biomedical Engineering）上。

高血壓和糖尿病患者可以從這款設備中受益，他們一旦感染新冠病毒後轉為重症的風險較高。這款設備也可用于監測敗血症，其發病特征是血壓突然下降，伴随乳酸水平的快速上升。

這個柔軟的皮膚貼片還能為重症監護病人和新生兒重症監護室裡的嬰兒提供便利，他們需要持續監測血壓和其他生命體征。目前，要實現生命體征監測還需要将導管插入患者動脈深處，并連接到多台監護儀上。

“這款可穿戴設備的新穎之處在于采用了完全不同的傳感器，并将它們集成在郵票大小的貼片上，”UCSD納米工程學教授Joseph Wang說，“通過這種可穿戴設備，能以非侵入式的方式收集大量數據，不會幹擾日常活動或引起不适。”

Joseph Wang的實驗室一直緻力于開發可穿戴設備，而在UCSD教授Sheng Xu的實驗室中，研究人員一直在開發柔軟且有彈性的電子皮膚貼片。經過共同努力，他們共同研發出了首款可拉伸的可穿戴設備，能将化學傳感與血壓監測相結合。

Sheng Xu說：“每個傳感器都提供了物理或化學變化的單獨圖像，通過整合到同一個可穿戴貼片中，我們可以更全面地了解人體發生的變化。”

新設備所采用的貼片是一種可以适應皮膚的彈性聚合物薄片。它配備了一個血壓傳感器和兩個化學傳感器，一個用于測量汗液中乳酸（一種運動強度的生物标志物）、咖啡因和酒精的水平，另一個用于測量組織液中葡萄糖的水平。

該貼片能夠同時測量三個參數，每個傳感器一個：血壓，血糖以及乳酸、酒精和咖啡因三者中的一項。理論上貼片可以同時檢測上述所有指标，但這需要不同的傳感器設計。

血壓傳感器位于貼片中心附近。它由一組小型超聲換能器組成，這些換能器通過導電墨水焊接到貼片上。施加在換能器上的電壓将超聲波傳送到體内，當超聲波從動脈回傳時，傳感器可以檢測到信号并轉換為血壓讀數。

化學傳感器則是兩個電極，由導電油墨絲網印在貼片上。貼片的右側印有可檢測乳酸、咖啡因和酒精的電極，其工作原理是将一種稱為毛果芸香堿的藥物釋放到皮膚中誘導出汗，并檢測汗液中的化學物質；另一個感應血糖的電極印在左側，其工作原理是以溫和的電流通過皮膚以釋放組織液，并測量其中的葡萄糖。

圖片來源：UCSD官網

研究人員對測量這些特定的生物标志物很感興趣，因為它們會影響血壓。納米工程博士Juliane Sempionatto說：“我們選擇的參數能讓我們更準确地得到可靠的血壓測量結果。”

“比方說，您在監測血壓的過程中發現白天出現了峰值，以為身體出了問題。但生物标志物的讀數可以說明這些峰值可能是由攝入酒精或咖啡因引起的，這些傳感器的組合能為您提供這類信息。”她說。

在試驗中，志願者們被要求在執行下列任務時都戴着貼片：在固定自行車上鍛煉；吃高糖餐；喝酒精飲料；喝含咖啡因的飲料。貼片的測量值與商業監測設備（如袖帶式血壓計、血乳酸計、血糖儀和呼吸分析儀）采集的數值非常溫和。通過測量實驗室中摻入咖啡因的汗液樣本，也驗證了佩戴者咖啡因水平的測量值是可靠的。

制作這種貼片的挑戰之一是消除傳感器信号之間的幹擾。為此，研究人員必須找出血壓傳感器和化學傳感器之間的最佳間距。他們發現，在保持設備盡可能小的同時，1厘米的間距可以解決這一問題。

研究人員還必須弄清楚如何物理區隔化學傳感器和血壓傳感器。後者通常配備有液體超聲波凝膠，以便顯示清晰的讀數。但化學傳感器也有自己的水凝膠，如果血壓傳感器中流出的液體凝膠與其他凝膠接觸，會造成傳感器之間互相幹擾。因此，研究人員使用了一種固體超聲波凝膠，他們發現這種凝膠與液體凝膠一樣有效，而且不會洩漏。

圖片來源：UCSD官網

納米工程博士Muyang Lin說：“找到正确的材料、優化整體布局、無縫集成不同的傳感器，我們克服這些困難花了很長時間。很幸運能夠完成這個項目，真是太有趣了。”

目前，該團隊已經在開發這款可穿戴設備的新版本，其中包含更多的傳感器。為了提高設備的臨床價值，下一步，團隊還将進一步監測與各種疾病有關的其他生物标志物。

團隊正在進行的工作還包括縮小血壓傳感器的電子元件。現在，傳感器需要連接電源和台式機來顯示讀數。未來叠代的目标是将這些功能都集成在貼片上，且能實現無線連接。

原文來源：SciTechDaily

原文标題：Wearable, All-in-One Health Monitor: New Skin Patch Continuously Tracks Cardiovascular Signals and Biochemical Levels