可穿戴皮肤贴片监测深层组织中的血红蛋白
加州大学圣地亚哥分校的一个工程师团队开发了一种电子贴片，可以监测深层组织中的生物分子，包括血红蛋白。这为医疗专业人员提供了前所未有的关键信息，可以帮助发现危及生命的疾病，如恶性肿瘤、器官功能障碍、大脑或肠道出血等。
“血红蛋白在体内的数量和位置提供了关于血液灌注或在特定位置积聚的关键信息。我们的设备显示出很大的潜力监控加州大学圣地亚哥分校的纳米工程教授、该研究的通讯作者徐晟(音)说。
该论文“用于血红蛋白和核心温度三维成像的光声贴片”发表在2022年12月15日的《美国医学杂志》上自然通讯．
体内血液灌注低可能导致严重的器官功能障碍，并与一系列疾病有关，包括心脏病发作和四肢血管疾病。同时，在大脑、腹部或囊肿等部位出现异常血液积聚，可提示大脑或内脏出血或恶性肿瘤。持续监测有助于诊断这些疾病，并有助于促进及时和可能挽救生命的干预措施。
新的传感器克服了现有监测生物分子方法的一些重大限制。磁共振成像(MRI)和x射线计算机断层扫描依赖于笨重的设备，这些设备很难获得，通常只能提供分子的即时状态信息，这使得它们不适合长期的生物分子监测。
“持续监测对于及时干预至关重要，以防止危及生命的疾病迅速恶化，”徐氏团队的纳米工程博士生、该研究的合著者陈向军说。“基于电化学的生物分子检测的可穿戴设备，不限于血红蛋白，是长期可穿戴监测应用的良好候选者。然而，现有技术仅实现了皮肤表面检测的能力。”
这种新的、灵活的、低尺寸的可穿戴贴片可以舒适地附着在皮肤上，可以进行非侵入性的长期监测。它可以在亚毫米范围内对血红蛋白进行三维测绘空间分辨率在深层组织中，在皮肤以下几厘米处，而其他可穿戴的电化学设备只能感知皮肤表面的生物分子。它可以达到与其他组织的高对比度。由于其光学选择性，它可以扩大可检测分子的范围，集成不同的分子激光二极管不同的波长，以及潜在的临床应用。
该贴片在其软硅聚合物基质中配备了激光二极管阵列和压电传感器。激光二极管向组织中发射脉冲激光。组织中的生物分子吸收光能，并向周围介质辐射声波。
压电换能器接收声波，这些声波被处理电气系统来重建发射波生物分子的空间映射，”徐晓翔实验室的博士后研究员、该研究的合著者高晓翔说。
“由于其低功率激光脉冲，它也比具有电离辐射的x射线技术安全得多，”徐团队的博士后研究员、研究合著者胡宏杰说。
基于迄今为止的成功，该团队计划进一步开发该设备，包括将后端控制系统缩小为便携式大小的设备，用于激光二极管驱动和数据采集，极大地扩展其灵活性和潜在的临床应用。
他们还计划探索这种可穿戴设备在核心温度监测方面的潜力。“因为光声信号的振幅与温度成正比，我们已经在离体实验中演示了核心温度监测，”徐说。“然而，在人体上验证核心温度监测需要介入校准。”
他们将继续与医生合作，寻求更多潜在的临床应用。
