可穿戴电子设备在人们的日常生活中正扮演越来越重要的角色，它能够实时且动态的监测人体健康相关的信号并实时告诉我们身体现状及可能出现的问题，并提醒人们及时就医。然而，当我们对目前市场上应用的可穿戴电子设备进行调研及使用体验后发现，目前大部分的商业化可穿戴电子设备仍然停留在健康相关物理信号的收集监测，如心率、脉搏、体温等，这些可穿戴电子设备很难从分子水平评估身体健康状况。因此，目前在可穿戴电子设备研究中面临的最大挑战或机遇是如何在分子水平实时监控人们的身体健康状况，实现体液中生物标记物的连续、动态、乃至无创监测，为个性化医疗奠定坚实基础。

2022年8月15日，加州理工学院生物医学工程系Wei Gao(高伟) 教授团队在Nature Biomedical Engineering期刊上发表了文章A wearable electrochemical biosensor for the monitoring of metabolites and nutrients。研究人员从汗液中目标物分子的实时、动态、连续监测为出发点，构筑了目标物分子识别系统、汗液收集系统、电流信号输出系统及无线数据收集系统，成功开发了名为“NutriTrek”的可穿戴汗液监测设备。此电子设备可实现多种人体健康相关的代谢物以及营养物分子（包括全部的九种必需氨基酸和多种维他命）的实时监测，且成功地将其应用到了糖尿病、肥胖症、以及COVID-19病人体内支链氨基酸的动态评估。该研究成果以A wearable electrochemical biosensor for the monitoring of metabolites and nutrients为题，发表于Nature Biomedical Engineering期刊。

图1：仿生可穿戴汗液监测设备“NutriTrek”

在生物传感器构筑中，研究者们广泛应用抗体、酶等充当目标物分子识别元件。然而，基于此类分子识别元件的传感器具有较大的局限性，如此类传感器的化学及生物稳定性较差，且容易受到样品溶液中潜在物质的干扰。同时，可穿戴生物标记物传感器通常要求长时间、连续测试，这极大地限制了其在可穿戴设备中的进一步应用。分子印迹聚合物（Molecularly Imprinted Polymers，MIPs）具有“人工抗体”的美誉，它通过聚合物单体、交联剂，以及模板分子共聚合的方式聚合，再将模板分子通过特定条件去除，最终构筑出能够特异性识别模板目标物分子的元件。与其他分子识别元件相比，其高选择性和亲和力、理想的化学及物理稳定性使其在包括化学小分子、多肽、蛋白质甚至细胞识别中被广泛应用。研究团队通过引入MIPs作为识别元件，针对电化学活性分子以及非电化学活性分子成功构筑了个性化传感界面，实现了人体必需氨基酸的特异性识别检测，并通过简单巧妙的方式实现了传感器的再生，为实时、动态分子识别提供了条件。

为深入开发“NutriTrek”可穿戴汗液监测设备的实际应用功能，研究团队针对久坐不动人群，提出了一种特定设计的离子电渗模块，该模块由石墨烯阳极、阴极以及含有卡巴胆碱的水凝胶 (carbagel) 组成。通过多种试剂对比，研究团队首次发现微小剂量的卡巴胆碱可促使凝胶周边汗腺长期可持续的释放汗液，结合独特的“微流道”设计优化汗液诱导和采样过程，确保了可穿戴电子设备的长时间、可重复汗液分泌及收集需求。

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为实现对人体健康相关代谢物及营养物的动态监测，研究团队通过工程学设计，构筑了：1、用于局部按需汗液刺激的离子电渗模块，2、用于高效汗液采集的多入口微流道模块，3、用于汗液中代谢物及营养物分子的识别检测阵列，4、用于实时传感器校准的温度和电解质校准传感器。结合柔性电路板及软件开发，实现了“NutriTrek”可穿戴汗液监测设备的可编程、一体化、自动式分析平台研发。不仅巧妙地规避了汗液挥发及污染等潜在因素带来的传感性能减低的问题，而且高效地实现了非运动条件下长时间营养及代谢物的连续动态监测。通过与云端存储及大数据分析相结合，研究团队所开发的“NutriTrek”可穿戴汗液监测设备最终可以实现多任务可调控的无创、原位、长期监测，及汗液中营养物和代谢物指标的动态分析，并开发出针对不同个体的个性化医疗诊疗方案。

通过与临床营养学家合作，研究团队表示“NutriTrek”可穿戴汗液监测设备在实时监测膳食营养摄入、中枢疲劳和代谢综合征风险及COVID-19严重程度评估方面具有巨大的应用潜力。目前，Wei Gao研究团队正在尝试开发更精巧的集成式可穿戴电子传感设备，从而监测汗液中更为广泛的营养物质、代谢物和癌症药物等，并将继续拓宽其在新冠后遗症和代谢综合征患者中的应用。

论文的第一作者为加州理工学院博士后Minqiang Wang (王敏强)，共同第一作者为团队博士研究生Yiran Yang（杨依然）和Jihong Min。