吳奕欣自海南省?？谑?。本科就讀于清華大學材料科學工程系，后進入美國西北大學同一專業(yè)攻讀直博，目前是博士五年級，主要研究汗液傳感器和可植入式腦神經(jīng)腦刺激，畢業(yè)后打算去業(yè)界工作。

11 月 7 日，相關(guān)論文以《一種皮膚界面、微型微流控分析和輸送系統(tǒng)，用于比色測量汗液中的營養(yǎng)素和通過皮膚提供的維生素的供應(yīng)》（A Skin-Interfaced, Miniaturized Microfluidic Analysis and DeliverySystem for Colorimetric Measurements of Nutrients in Sweat and Supply ofVitamins Through the Skin）為題發(fā)表在 Advanced Science 上。吳奕欣為共同第一作者，她的同學欒海文也參與了該研究。
該研究主要是做營養(yǎng)成分、維生素和微量離子的監(jiān)測，同時還制備了維生素 C 和維生素 D 離子遞送的****物遞送貼片。
此前檢測方法一般是去醫(yī)院抽血，如果檢測結(jié)果不好往往再服用一些****物，這一方法既得花錢、又要耗時。而該研究的目的，是希望通過一種成本較低、使用較便捷的方式，讓健康檢測更方便地進行，同時還可根據(jù)檢測結(jié)果來進行營養(yǎng)補給。
研究中，她研發(fā)出一種皮膚界面、微型微流體分析和輸送系統(tǒng)，可通過比色法測量汗水中營養(yǎng)物質(zhì)、以及體內(nèi)維生素供應(yīng)量，比色法的英文名叫 colorimetry，指的是通過比較、或測量有色物質(zhì)溶液顏色深度，來確定待測組分含量的方法。

在維持核心生理功能和預(yù)防疾病上，營養(yǎng)物質(zhì)起著關(guān)鍵作用。研發(fā)營養(yǎng)物質(zhì)及其濃度的檢測技術(shù)，有助于確保營養(yǎng)平衡。
如前文所述，此前最準確的檢測方法，是直接篩查血液中的生物標志物，但這種測試只能不定期地進行，而且必須先到抽血，然后進行實驗室分析。

比較理想的替代方法，是只需使用一類可被頻繁無創(chuàng)采集的生物液體，來監(jiān)測營養(yǎng)物質(zhì)。
在各種可被無創(chuàng)采集的生物液體中，小汗腺汗液很有趣，與唾液和眼淚不同，它可使用安裝在全身幾乎任何位置的柔性微流體芯片器件進行原位收集和分析，在測量上具備可重復(fù)性、原始性和使用量較少等優(yōu)點。

與此同時已有研究證明，汗液中含有許多與生理健康狀況相關(guān)的生化標志物，比如微量營養(yǎng)物質(zhì)、激素、電解質(zhì)和代謝物等。

之前的研究顯示，對受試者的體內(nèi)測試顯示，汗液中的營養(yǎng)物質(zhì)濃度、與血液中的營養(yǎng)物質(zhì)濃度，呈現(xiàn)出時間動態(tài)相關(guān)性。因此，汗液檢測也可促進人類的個性化飲食選擇。

整個設(shè)備是一個柔軟的橢圓形，主要依賴低模量的彈性體材料制備而來，并使用軟光刻和激光燒蝕技術(shù)，對設(shè)備進行圖案化設(shè)計和模壓處理。
設(shè)備底層由摻雜白色顏料的聚二甲基硅氧烷（PDMS）、以及具有浮雕特征的微流體結(jié)構(gòu)組成。其中，聚二甲基硅氧烷的透明蓋層厚度大約 200μm，它不僅能用來密封系統(tǒng)，同時增強可穿戴設(shè)備的機械強度。
打印在該圖案薄膜上的彩色參考標記，來源于從設(shè)備的數(shù)字圖像中定量提取的顏色信息，從而無需依賴環(huán)境照明的色溫。

它的尺寸為 10mm × 5mm，包含被動微閥、四組一樣的微通道網(wǎng)絡(luò)和微容器等部件。每個微容器都有一種比色化學試劑，用于檢測一種關(guān)鍵營養(yǎng)物質(zhì)的濃度，比如維生素 C 、鈣、鋅和鐵等。
研究中，吳同學使用 3M 公司的橢圓形醫(yī)用級粘合劑，它的開口可在汗液從皮膚表面冒出時，在設(shè)備底座和皮膚之間建立密封且穩(wěn)定粘合劑界面。

在人體小汗腺產(chǎn)生的大約 70kPa 的壓力下，以及微通道網(wǎng)絡(luò)中被動毛細血管爆裂閥（CBV）的聯(lián)合作用，微容器可以充滿汗液。

這些被動毛細血管爆裂閥，可以連接微流體通道和出口，從而引導汗液進入測試微容器, 同時防止過量汗液干擾容器中的傳感過程。

下圖是一張微型汗液微流控裝置的圖像，將含有相關(guān)維生素的貼片釋放到皮膚表面，它們就會被動地擴散到真皮層的毛細血管床，隨后擴散到整個血液中。

貼片內(nèi)部還含有各種化學增強劑，可通過改變角質(zhì)層的脂質(zhì)結(jié)構(gòu)，來增加皮膚的通透性。

它可從視覺上來提醒用戶營養(yǎng)平衡不足，從而讓人們揭開營養(yǎng)貼片的阻隔層，以便啟動釋放過程。

吳同學表示，此次提出這種可貼在皮膚界面的柔性微流控系統(tǒng)，具備傳感能力和傳輸能力?？梢栽诟鞣N環(huán)境下監(jiān)測和輸送維生素 C、鈣、鋅和鐵，不需要電子硬件支持比如電池和無線通信系統(tǒng)，具有簡單、低成本、毫米級等優(yōu)勢。小巧美觀的的結(jié)構(gòu)也讓穿戴非常舒適和時尚。
具體來說，使用簡單的比色法，即可監(jiān)測汗液中的營養(yǎng)物質(zhì)，當汗液從皮膚表面通過微通道和被動閥門結(jié)構(gòu)后，即可被收集在單獨的微尺度儲層中。當你戴上可與微流控系統(tǒng)集成的透皮貼片后，即可在整個佩戴期間，持續(xù)將相關(guān)物質(zhì)輸送到體內(nèi)。將測量結(jié)果與傳統(tǒng)實驗室分析方法進行比較，證明了該平臺的準確性和可靠性。

與口服維生素片相比，使用貼片型平臺、并經(jīng)過皮膚來傳遞營養(yǎng)素的關(guān)鍵優(yōu)勢是，可在長時間內(nèi)逐漸、持續(xù)地釋放。

為測試該設(shè)備的能力，吳同學與其合作者找來七位志愿者參與實驗。在攝入營養(yǎng)物質(zhì)之前，先讓他們通過移動桑拿收集汗水，然后在受試者的胸部、手臂或背部貼上營養(yǎng)貼片。
在另一天，讓這些受試者口服營養(yǎng)素補充劑，其中經(jīng)皮注射和口服給****均于上午 8 點左右開始。


在給****后的 1、2、4、8、12 和 24 小時內(nèi)，吳同學與合作者們分別對汗液中的營養(yǎng)物質(zhì)濃度進行測量。

對人體受試者的評估重點，是監(jiān)測使用營養(yǎng)貼片和口服復(fù)合維生素補充劑后 24 小時內(nèi)汗液營養(yǎng)物質(zhì)的濃度。
通過透皮途徑給****，這些營養(yǎng)物質(zhì)在汗液中的濃度相對穩(wěn)定，相對于口服給****而言，突然增加的概率降低。

對于經(jīng)皮給****來說，最初的低基線濃度迅速增加 1.3 倍，其中鈣增加 1.4 倍，鐵增加 1.2 倍，應(yīng)用貼片 4 小時后增加 2.1 倍。

在 8 小時后，相關(guān)物質(zhì)的濃度達到最大值以下，但在口服給****后的同一時間點仍高于濃度。在口服病例中，維生素C的峰值濃度比基線水平高出 1.73 倍，鈣高出 1.87 倍，鋅高出 1.48 倍，鐵高出 2.73 倍。

這些行為與此前其他學者發(fā)表的口服劑量后血漿濃度的****代動力學報告文件相似，所有志愿者的汗液濃度達峰時間、以及濃度在體內(nèi)變?yōu)樵紳舛纫话氲臅r間，均與血漿相似。

這些結(jié)果表明，汗液化學至少在半一定程度上與這些物種的等離子體化學相關(guān)，并且這種行為與營養(yǎng)物質(zhì)快速局部進入血液是一致的，即都是通過血液循環(huán)誘導的全身運輸。
此外，在追蹤日常生活中不同相關(guān)飲食場景的營養(yǎng)物質(zhì)方面，該研究所涉及的可穿戴技術(shù)也很有效。

對這種能力的身體評估，包括監(jiān)測食用橙汁、維生素水和谷物后汗液中營養(yǎng)物質(zhì)濃度的變化，每一種都含有兩種營養(yǎng)成分。

下圖為 7 名人類受試者攝入上述食物前后的測量結(jié)果，顯示了飲用 300 mL 橙汁后營養(yǎng)水平的變化，對應(yīng)大約攝入量為 63 mg 維生素 C 和 20 mg 鈣。維生素 C 和鈣濃度顯著增加，與預(yù)期一致。鋅和鐵的變化相對較小，與橙汁中相對缺失一致。和橙汁一樣，維生素水也不含鐵和鋅；汗中鐵和鋅濃度的變化可以忽略不計。
另一方面，維生素強化谷物中含有所有可以通過這些設(shè)備測量到的營養(yǎng)物質(zhì)。然而，谷物中的維生素 C 含量小于橙汁或維生素水，因此維生素 C 濃度的變化較低。

雖然汗液中每種營養(yǎng)物質(zhì)濃度的變化與攝入量沒有簡單的線性關(guān)系，但總體趨勢是隨著攝入量的增加而增加。這些結(jié)果表明，通過分析可穿戴的微氟流控平臺上的汗液，可以無創(chuàng)地評估個性化的營養(yǎng)信息。

概括來說，營養(yǎng)物質(zhì)的濃度的監(jiān)測及其了解在口服和經(jīng)皮給****后的其濃度的動態(tài)變化，可以即時為營養(yǎng)平衡起到指導性作用。

結(jié)果表明，具有集成比色法的可穿戴汗液微流控系統(tǒng)，可產(chǎn)生與營養(yǎng)平衡直接相關(guān)的個性化數(shù)據(jù)，這對改善用戶健康具有重要意義。
因此該設(shè)備可作為一種即時反饋工具，來給用戶的健康飲食選擇、以及該服用哪種膳食補充劑做出指導。

這些材料和制造方法，有望支持大批量生產(chǎn)，從而降低成本，以便在更廣泛的場景中鋪開。

吳同學的長遠愿景，是希望一切檢測都能在家進行，同時也希望能擴大監(jiān)測范圍，實現(xiàn)檢測更多微量元素、氨基酸等有利于身體健康的監(jiān)測等。
此外，她還希望能結(jié)合其他****物遞送方式來補充營養(yǎng)，或者跟醫(yī)院相結(jié)合。當快速檢測發(fā)現(xiàn)疾病相關(guān)化生物標記在非正常范圍，可讓患者盡快在醫(yī)院進行更仔細的檢查和治療。
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支持：熊岳城

參考：
1、J. Kim, Y. Wu, H. Luan, D. S. Yang, D. Cho, S. S.Kwak, S. Liu, H. Ryu, R. Ghaffari, J. A. Rogers.Adv. Sci. 2021, 2103331