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當Shuai Xu著手制造一種可穿戴生物傳感器來監測早產兒和新生兒的生命體征時，他面臨著一個重大挑戰：這些兒童的皮膚非常脆弱，用于連接傳感器的粘合劑可能會損壞皮膚，可能導致感染。嬰兒移動時，堅硬的裝置會拉扯皮膚，并且可能會將其拉向不同方向的電線，這加劇了問題。解決方案是構建一種柔軟且可拉伸的傳感器，采用柔性電路板和 50 毫米的細電線，這與長期以來一直是此類工程支柱的剛性設備相比，這是一個巨大的變化。它被包裹在可彎曲的硅膠中，通過藍牙傳輸讀數，并使用水凝膠（一種主要由水制成的聚合物基物質）粘在身體上。皮膚科醫生 Xu 在伊利諾伊州埃文斯頓西北大學的工程師和材料科學家 John Rogers 的實驗室擔任博士后研究員，幫助開發了該設備，他是軟材料的先驅。

研究人員認為 bottlebrush 彈性體和碳納米管復合材料的渲染圖具有作為腦電極的潛在用途。圖片來源：Xu， P. et al. Nature Commun.14， 623 （2023）

Xu后來成為伊利諾伊州芝加哥 Sibel Health 的創始人兼首席執行官，這是一家醫療設備公司，在 2020 年獲得了 Nature's Spinoff 獎，并銷售用于健康監測的可穿戴傳感器。Xu 面臨的挑戰在試圖開發生物傳感器和制造它們的材料的研究人員中很常見。這些設備必須小巧輕便，并且必須以最小的刺激性連接到身體上。在某些情況下，它們需要耐用的電池和電路，以處理不斷增長的人工智能算法，這些算法可以理解它們收集的數據。

據估計，2023 年全球健康傳感器市場價值估計為 426 億美元，預計到 2030 年將增長到 1422 億美元。以前設計用于計算步數的腕戴式或手指式設備現在可以測量心跳和血氧水平，并且它們還加入了貼片，允許糖尿病患者持續監測他們的血糖水平。

Xu說。“但是還有很多其他的事情，包括生化和生物物理學，我們仍然無法以實際、連續的方式進行。”弄清楚如何廉價和非侵入性地測量各種物理和化學信號可以提供可以重塑醫學的診斷信息。這可能不僅限于進行機械測量（如心率）的傳感器。研究人員還在研究化學傳感器，這些傳感器可以檢測血液、汗液和淚液以及細胞周圍液體中的生物標志物。

賓夕法尼亞州立大學州立大學 （Pennsylvania State University） 的生物傳感器工程師艾達·易卜拉希米 （Aida Ebrahimi） 正在研究可以檢測唾液或尿液中神經遞質的材料，例如多巴胺、血清素、腎上腺素和去甲腎上腺素，這些物質在帕金森氏癥或阿爾茨海默氏癥等疾病患者中會發生變化。她專注于 2D 材料，這些材料只有一個原子層厚，例如二硫化鉬。Ebrahimi 說，對于一種“實際上，整個事物都是表面”的材料，你將在檢測非常低濃度的生物分子的能力中獲得高靈敏度。這種原子薄膜的材料特性對表面改性也很敏感。例如，附著錳分子使材料對多巴胺具有親和力，從而產生超靈敏檢測器。

為新生兒的敏感皮膚開發了一種柔軟且可拉伸的傳感器。圖源：西北大學

Ebrahimi 說，連接不同分子的類似材料可以用作其他化學物質的傳感器，這些化學物質可以提供有關健康的信息。她的團隊在 2020 年構建了一個傳感器原型，他們證明該原型可以測量多巴胺，但構建它并驗證它以供使用可能需要幾年時間。

一個測量挑戰是，許多信號傳輸，尤其是在大腦中，是通過離子的運動來執行的，而大多數監測設備旨在檢測電子流攜帶的電流。沙特阿拉伯圖瓦爾 （Thuwal） 阿卜杜拉國王科技大學（KAUST）的生物工程師 Sahika Inal 正在使用有機電化學晶體管 （OECT），這些設備可以檢測來自生物分子、細胞和脂質層的信號，并將其轉化為可通過電子設備測量的讀數。OECT 可以使用有機混合離子-電子導體 （OMIECs） 構建，這是過去幾年備受關注的焦點。OMIECs 是離子和電子都可以輕松流過的聚合物。當晶體管的一部分在它所測量的特性中發生微小變化時，OMIEC 會放大該信號。因為它是一種有機聚合物，所以這種材料比標準電子晶體管更能與人體的潮濕環境相容，標準電子晶體管必須封裝以保護其免受液體的影響。因此，可以開發“可以直接與生物系統集成”的電子設備，Inal 說。

例如，OECT 可以直接打印在皮膚表面以檢測生物信號，或者構建在織物線上以制造經得起洗滌的生物傳感服裝和圍巾。它們還有可能取代腦植入物中使用的剛性電極，以控制假肢裝置和監測癲癇發作患者的電活動。它們的柔韌性和生物相容性可能會減少對腦組織的刺激，從而降低電極的敏感性。

在多倫多大學，機械工程師 Xinyu Liu 和化學工程師 Helen Tran 開發了另一種具有柔軟性和柔韌性的材料，可用作腦電極。被稱為 bottlebrush 彈性體，它們的橡膠狀物質由一種分子制成，該分子具有長而硬的脊柱，可保持其結構，周圍環繞著短而靈活的刷毛，使其柔軟。為了賦予材料導電性，Liu 和 Tran 添加了一種填料——碳納米管或銀片和共晶鎵銦（一種液態半導體）的混合物。不過，他們擔心填充劑會滲出并產生毒性作用，因此他們想消除它。“最終，我們希望設計一種柔軟且導電的聚合物，”Tran說。“這些要求往往是不一致的。”

Liu 的實驗室也在研究可穿戴傳感器。一種基于水凝膠，旨在貼合皮膚并測量身體部位（例如膝蓋）彎曲時的應變。這種設備可能有助于監測運動員的表現或評估關節炎。他們正在開發的另一種傳感器將氧化鋅納米線放在棉線上，以制造可以測量汗液中乳酸和鈉等物質的電子紡織品。這種材料可以編織成襯衫或汗帶，以監測運動員的健康狀況。

Xu 看到了新型生物傳感器的很多機會。“AI 正在生成新的算法，”他說，這些算法可以集成到傳感器中，以便從它們記錄的測量值中學習并做出反應。這需要開發能夠與傳感器中可用的有限功率配合使用的處理器。他說，更好的電池可能會有所幫助，從運動或身體熱量中收集能量等替代方案也會有所幫助。他說，可以將讀數（例如血糖水平與心率）相結合的設備可能會帶來變革。他還希望能夠檢測可用于監測疲勞的壓力荷爾蒙，或用于檢查患者是否服用藥物的藥物代謝物。

生物傳感器有可能收集大量有用的信息，并在日常環境中進行收集，這可能比一次性醫生測試提供更真實的健康狀況。Xu說，“無論你是否生病，人們不會把大部分時間花在診所或醫院。自己使用技術跟蹤健康狀況，我認為真的很重要”。

文章鏈接：

https://www.nature.com/articles/d41586-024-04003-y

*中文編譯文章僅供參考，建議讀者閱讀英文原文。