臨床級多功能皮膚接口微流體裝置，分析汗液，測量生理和心理壓力

臨床級多功能皮膚接口微流體裝置，分析汗液，測量生理和心理壓力

【導讀】：

用於臨床級別的生理參數監測的皮膚接口無線設備越來越受到人們的關注，其用途從醫療保健到運動表演。

一個國際研究團隊開發了一種多功能的皮膚安裝微流體裝置，該裝置能夠以多種方式測量人的壓力。在他們發表在《Proceedings of the National Academy of Sciences》上的論文中，研究小組描述了他們的裝置及其用途：一種多功能的皮膚安裝式微流體平臺，用於捕獲和微標記汗液的生物標誌物分析，該汗液可以無創收集，在生物物理傳感中具有潛在的相關性。重點是比色和數字評估與壓力有關的參數集合，包括維生素C，皮質醇和葡萄糖的濃度，以及對汗水率和皮膚電反應的定量測量。這些結果代表了對用於生理監測的皮膚接口技術中新興功能組合的重要補充。

骨骼微流控設備的示意圖和光學圖像。其中包括用於皮質醇的集成免疫測定，用於葡萄糖和抗壞血酸（維生素C）的螢光測定以及用於出汗，出汗率和GSR的電接口。（A）裝置結構的分解示意圖。（B）放大的主要蛇形骨骼通道的視圖，用於跟蹤汗水流失，出汗率以及皮質醇的免疫測定。（C）主通道的剖視圖，突出顯示通道尺寸和集成電極。（D）用於葡萄糖和抗壞血酸的螢光測定的微流體結構以及系統的光學圖像（插圖）。（E組裝設備（的）光學圖像頂部），在經過機械扭曲（中東）和彎曲（底）。（F）與相似配置相關的力學的三維建模：平面（未變形；頂部），扭曲（中部）和彎曲（底部）以顯示相應的應變分布。

先前的研究表明，長期的壓力會損害一個人的健康。它可以導致糖尿病，抑鬱，肥胖和許多其他問題。一些人建議，應對壓力的方法之一是創建一種方法，以提醒人們壓力過大，以便他們可以採取措施減輕壓力。為此，先前的團隊已經開發出可收集汗液樣本的皮膚粘合裝置。微小的樣本中含有少量的皮質醇，一種可以用作壓力水平標記的激素。在這項新工作中，研究人員通過開發一種不僅能測量皮質醇水平而且更舒適的設備，對這些設備進行了改進。

用於監控汗水流失，汗水流率和GSR的NFC電子設備的設計。（A）NFC電子系統及其與汗液微流體設備和智慧型手機的接口的示意性框圖。（B）電子器件的光學圖像，顯示晶片位置。（C）電子電路原理框圖，顯示了用於主，參考和GSR讀數的參考電阻布局。（D）用於GSR的電極端子（左）和與微流控設備耦合的跟蹤參考電極（右）的放大光學圖像。（E）參考微通道中一系列人類汗液樣品的電解質濃度圖，以及通過無線讀數確定的相應ADC2值。（F）運動初期的體溫對∆GSR的影響。（G）皮膚溫度穩定並開始出汗（前臂，18至20°C溫度和15至30％溼度）後，出汗率與∆GSR之間的相關性。

研究人員從一個想法開始，即為了說服人們全天佩戴該設備，它必須既有用又舒適。通過用柔軟的材料製成設備，並輕輕粘附在皮膚上，從而解決了後一個問題。他們還在其微流汗收集設備（柔性網）上使用了骨架設計。並添加了電極，這些電極能夠測量出汗率和皮膚的電導率，兩者均會隨著壓力的變化而變化。此外還添加了一個無線發射器，可將所有數據發送到附近運行該設備關聯應用程式的智慧型手機。除皮質醇外，該設備還能夠測量葡萄糖和維生素C的水平。

骨骼微流控設備的分解圖，其中包括用於皮質醇的集成免疫測定，用於葡萄糖和抗壞血酸（維生素C）的螢光測定以及用於出汗，出汗率和皮膚電反應的電接口。

用柔性電極系統製造軟骨骼微流體：

製造始於使用光刻技術從圖案化的矽晶片上形成模具。更準確地說，將光刻膠KMPR1010以3,000 rpm的速度旋塗在矽片上30 s，在110°C的熱板上烘烤3分鐘，然後在300 mJ·cm -2的紫外線下曝光。2分鐘，並與開發人員MF917一起開發。深反應離子刻蝕（聚甲基丙烯酸甲酯塗層； STS Pegasus ICP-DRIE； SPTS Technologies Ltd.）將暴露的矽去除到選定的深度（約400 µm）。然後將PDMS的預聚物（Sylgard 184； Dow Corning；以基礎劑與固化劑的重量比為10∶1混合）澆鑄並固化在矽結構上，以產生軟模。這些模具用於形成NOA的結構（Norland光學膠； NOA 81； Norland產品；部分固化；暴露於30 W的紫外線下4至10分鐘。

銅電極的製造依賴於光刻工藝，從而以3,000 rpm的速度旋塗光刻膠（AZ4620）30 s，然後在60°C的熱板上烘烤1分鐘。在300mJ·cm -2的UV照射下曝光光致抗蝕劑之後，顯影1分鐘產生期望的圖案。接下來，用銅箔（DuPont）的銅箔蝕刻劑（HFCE100; Transense）溼法蝕刻，該銅箔層壓在塗有PDMS的載玻片（Fisherbrand）上（Sylgard 184;道康寧）;以重量比為20：1的鹼與固化劑混合在110°C的熱板上部分固化3分鐘；去除了銅的裸露區域。在圖案化的Cu–PDMS襯底上鑄造厚約500 µm的NOA 81層，並暴露於紫外線（30 W，4分鐘）的照射下，可使Cu電極轉移到NOA 81的表面上。組件NOA微流體溝槽和電極利用未固化的NOA81以產生具有精確對準。雷射切割機（ProtoLaser R; LPKR）將組件的周界定義為完成製造的最後一步。

測試：

研究人員在四名健康的成年人志願者身上測試了他們的設備，要求他們每人佩戴一段時間。每個人都被剝奪睡眠以引起壓力，並要求他們定期騎健身車出汗。為了測量該設備的工作情況，還要求志願者提供定期的唾液樣本，這是測量皮質醇水平的標準方法。研究人員發現他們的設備與唾液樣本測試一樣精確，表明它可以用作無創壓力水平監測設備。

骨骼微流控設備的分解圖，其中包括用於皮質醇的集成免疫測定，用於葡萄糖和抗壞血酸（維生素C）的螢光測定以及用於出汗，出汗率和皮膚電反應的電接口。

骨骼微流體設備安裝在受試者的前臂上。

結論：

內分泌汗液是一類有趣但尚未完全理解的生物流體，其中包含一系列化學物質，其濃度可提供有關生理狀態的重要信息。潛在的相關性涵蓋體育科學，臨床醫學和軍事準備情況。此處描述的多功能設備平臺利用硬通道和儲層的軟微流體網絡以及集成的柔性電子系統，將其作為一種實用的單晶片實驗室型系統，具有免疫測定，螢光檢測功能和定製的身體和精神壓力的無線監控功能系統。