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港城大于欣格团队：可穿戴汗液传感平台实现15天长时稳定尿酸监测

创作时间:

作者:

@小白创作中心

港城大于欣格团队：可穿戴汗液传感平台实现15天长时稳定尿酸监测

引用

澎湃

https://www.thepaper.cn/newsDetail_forward_30545708

近年来，随着慢性疾病发病率的不断上升，公众对精准且便捷的健康监测工具的需求日益增长。然而，现有的可穿戴健康监测平台在长期使用过程中面临诸多挑战，如电极污染以及生化干扰显著影响检测可靠性。此外，现有设备的舒适性和耐用性仍需改善，以及高效和可重复使用的微流体汗液收集系统，依然有待进一步开发与完善。

香港城市大学于欣格教授团队在Cell Press细胞出版社旗下期刊Device上发表了一篇题为“Prolonged monitoring and risk management of hyperuricemia using interference-resistant wearable bioelectronics”的研究论文。该研究针对高尿酸血症（hyperuricemia, HUA）这一慢性疾病的长期管理，成功开发出一款集成化可穿戴平台。该平台以先进的微流控技术和高耐用性的功能化生物电极为核心，结合无线数据传输和模块化设计，实现了无干扰、高精度的持续检测。其动态尿酸水平追踪能力可长达15天，彰显了其在个性化健康管理领域的巨大潜力。

文章亮点

开发了一种集成化可穿戴平台，采用非侵入式汗液传感技术，实现动态尿酸精准追踪，并结合粘性可调节水凝胶界面，显著提升佩戴舒适度，设备可连续监测高尿酸血症长达15天。
创新设计的生物电极具备抗副产物沉积与高耐用性，运用比率传感模式，提供长时间稳定的高精度检测支持。
设备具有可重复使用性与长效稳定性，同时模块化设计为拓展其他生物标志物检测提供技术支持，赋能慢性病监测与个性化健康管理，应用前景广阔。

文章简介

该器件采用柔性基板，子组件以垂直堆叠的方式构建，最大限度地减少了与皮肤的接触。其关键部件包括柔性印刷电路板和微流体汗液传感器贴片，所有组件均可重复使用，共同组成一个重量仅为2.73 g的轻型器件，整体尺寸为4.4 cm长、3.3 cm宽、4 mm厚。其中，核心部件——汗液传感贴片，由粘附层、离子渗透凝胶、亲水性微流体通道和光刻电极构成，可实现长期汗液收集与高精度的尿酸监测。

图1 用于HUA监测和管理的集成化可穿戴平台

本工作中研发的尿酸电极片无需清洁或任何电化学操作即可完成约150次测量，采用金属/聚合物功能化电极设计，并通过比率测量模式有效抗干扰。纳米金颗粒的引入显著提高了表面积和催化活性，同时电聚合的聚硫瑾薄膜通过电荷斥力防止尿酸氧化副产物（尿囊素）的吸附，增强重复使用性。此外，比率传感策略显著降低了外界或极端因素（如pH值、温度、离子浓度、电极损耗等）的干扰。在优化条件下，器件针对生理汗液浓度（10~60 µM）实现了1.93 µA µM-1 cm-2的灵敏度，检测限为1.25 µM。

图2 尿酸传感器的原理图和表征

为实现长期稳定的汗液采样，该可穿戴贴片集成了离子电渗凝胶，用于实现可控的排汗诱导，同时采用亲水修饰微流道以确保高效且持续的汗液传输。此外，贴片设计还引入了温度响应水凝胶（PCPG水凝胶）作为设备与皮肤的界面。这种水凝胶不仅满足长期耐磨性的需求，而且在拉伸性、生物相容性以及无痛去除方面显著优于传统医用胶带，为实现舒适且持久的生物监测提供了技术支持。

图3 用于长期自主汗液诱导和采样的可穿戴系统设计

研究表明，本工作采用的离子电渗法（被动排汗）在长时间动态采样方面相比运动诱导排汗（主动排汗）具有明显优势。剧烈运动导致的大量失水常使汗液与血清中的尿酸水平变化趋势不一致，而离子电渗法能够更加稳定地反映尿酸水平，因此更适合长期监测应用。在小范围人群筛查中，尿酸监测平台成功识别出异常个体（高尿酸血症患者和痛风患者）。此外，研究还收集了80份独立个体样本，分析了汗液与血清中尿酸水平的相关性，进一步验证了该设备在HUA风险评估中的科学性和可行性。

图4 该可穿戴平台用于动态汗液尿酸评估

进一步利用所开发的可穿戴尿酸监测平台，全天记录个体的尿酸水平，重点关注实时尿酸值（C1-0, C1-1, C1-n, ..., C2-0, ...）以及尿酸波动（ΔC1-1, ΔC1-n, ..., ΔC2-n, ...）的潜在风险。研究通过对四名健康志愿者和两名HUA患者的为期15天的汗液尿酸连续监测，系统评估了该平台在尿酸长期追踪、风险预警以及辅助制定饮食和用药干预策略中的实际应用潜力。该工作为个性化健康预防、精准诊断和治疗提供了解决方案，并推动了可穿戴平台在无创、长期监测慢性疾病相关生物标志物领域的应用与发展。

图5 可穿戴尿酸监测平台的载体评估，用于个性化和无创的长期HUA管理

这项工作得到了国家自然科学基金、香港特别行政区研究资助局、深圳市科技创新委员会、香港城市大学等机构的资金资助。

作者专访

Cell Press细胞出版社特别邀请于欣格教授进行了专访，请他为大家进一步解读。

CellPress：
请简要概述这项工作的亮点。

于欣格教授：
我们介绍了一种高精度且长期稳定的可穿戴尿酸监测系统。该系统集成了抗干扰的尿酸生物传感器、自主汗液收集的微流控模块、具备可调节粘附强度的设备/皮肤界面及高效的数据采集和传输柔性电路板。同时，系统配备的定制移动应用程序可实时提供尿酸水平和HUA风险评估，协助用户进行及时的自我管理和长期健康监测。通过对汗液检测结果与临床血清数据的对比研究，建立了该平台的评估标准。验证结果表明，该系统可实现长达15天的稳定在体信号采集。该研究为可穿戴平台在慢性疾病长期监测中应用提供了技术支持。

CellPress：
研究过程中遇到了哪些困难？团队是如何克服并顺利解决的？

于欣格教授：
当前开发的尿酸传感器主要基于两种检测原理：酶基检测和直接氧化检测。酶基传感器虽然灵敏，但成本高昂且对储存及工作条件（如pH值和温度）要求严格。相比之下，直接氧化检测依赖尿酸的电化学活性，方法简便且高效，更适合长期监测。然而，此方法因氧化副产物易在电极表面聚集，导致信号衰减，从而限制了电极的重复使用性。为解决这一问题，研究团队在电极表面电沉积聚硫瑾功能层，通过其电负性有效抑制副产物沉积，同时作为内置参考信号，与尿酸的氧化峰信号结合，形成比率传感模式，显著降低了外界或极端因素（如pH值、温度、离子浓度和电极损耗）的干扰。本研究开发的传感器无需清洁或电化学处理即可实现约150次稳定测量，保证了全天候长期监测的准确性。

CellPress：
团队下一步的研究计划是怎样的？

于欣格教授：
我们计划将技术扩展到尿酸监测以外的领域，开发可监测多种慢性疾病相关生物标志物的传感阵列，构建一个更加全面的可穿戴健康管理平台，提供实时健康数据和个性化管理方案。这将进一步推动智能健康设备在慢性病管理中的广泛应用，助力精准医疗的发展。

CellPress：
最后，是否可以与我们分享一下选择Device来发表这个工作的原因？

于欣格教授：
首先，Device作为专注于各类设备技术及应用的高质量期刊，非常契合我们的研究主题。本研究提出了一种用于长期监测HUA的可穿戴生物电子平台，而该期刊的关注点——创新性设备及其在人类健康中的应用——与我们的工作具有高度一致性。其次，Device在设备、传感技术及相关生物医学领域具有广泛的学术影响力。通过在Device这一高水平期刊上发表研究，我们希望能吸引更多同行研究者及产业界的关注，从而推动该技术的进一步发展与应用。

作者介绍

于欣格
教授
于欣格，香港青年科学院院士，香港城市大学数字医学院副院长，香港心脑血管健康工程研究中心副主任，香港城大-中国科学院机器人联合实验室副主任。2023年获评香港RGC Research Fellow。优秀青年科学基金（港澳）、《麻省理工科技评论》创新35人、IEEE纳米医学发明家、MINE青年科学家、日内瓦国际发明展金奖等奖项获得者。研究专注于可穿戴电子在VR和生物医学的应用。是IEEE Open Journal of Nanotechnology的执行主编、Science Advances、Microsystem & NanoEngineering、Bio-Design and Manufacturing等期刊的副主编和编辑委员会成员。在Nature、Nature Materials、Nature Electronics等杂志上发表论文190篇，申请/授权专利50余项。