新型无线汗液贴片，可连续监测4大健康指标长达21天
在人们越来越重视健康管理的今天，连续、无创、便携的生物监测设备正在成为医学与消费电子交汇的新方向。相比传统抽血检测，汗液检测具有无痛、实时、操作简单等优势，因此被认为是下一代可穿戴医疗的重要突破口。然而，现有汗液传感器长期面临几个关键难题：大多数设备只能检测单一指标，无法同时追踪多种生物分子；很多传感器在高温、湿度变化或长期佩戴后性能迅速衰减；更重要的是，它们往往属于“一次性”产品，传感界面在检测后会被目标分子“占满”，难以持续工作。这意味着，真正能够在日常生活环境中长期稳定运行的智能汗液传感器，至今仍非常少见。
近日，美国加州大学Rahim Esfandyarpour教授课题组提出了一种无线、无电池、可原位再生的多模态可穿戴汗液生物电子系统——IREM-W2MS3。该系统不仅能够同时监测皮质醇、尿素、乳酸和葡萄糖四类关键生物标志物，还能通过电压触发的“自清洁”机制实现传感器自动再生，从而支持长达21天的连续使用。研究人员还将近场通信（NFC）、微流控汗液采集、离子导入诱汗以及分子印迹聚合物技术整合到一张柔性贴片中，让设备真正具备了日常佩戴和长期健康监测能力。相关成果以“Wireless and in situ regenerable multimodal wearable bioelectronic sweat sensor for continuous biomarker monitoring in everyday settings”为题发表在 《Nature Biomedical Engineering 》上。
研究团队开始便展示了IREM-W2MS3的整体设计思路（图1a）。人体在压力、糖尿病、肾病、炎症等状态下，血液中的代谢物和激素浓度会发生变化，而这些分子又会通过汗腺进入汗液。因此，只要能够稳定分析汗液中的相关生物标志物，就有机会实现对人体健康状态的持续追踪。研究人员选择了四种代表性指标：皮质醇对应压力与情绪状态，乳酸反映代谢与运动负荷，尿素关联肾功能，而葡萄糖则与糖尿病密切相关。过去，想同时监测这些指标通常需要多台设备甚至实验室分析，而这项工作则把它们全部集成在一块小型柔性贴片中。在图1b中，作者重点介绍了这套系统最核心的“分子识别”结构。研究团队没有采用传统酶或抗体，而是使用了分子印迹聚合物（MIP）。简单来说，这种材料就像给目标分子“量身定制”了一个模具：在聚合过程中，研究人员先把目标分子混入聚合物，随后再将其移除，于是材料内部便留下了形状、大小和电荷都高度匹配的“识别空腔”。当汗液中的目标分子再次进入这些空腔时，就会引发电流变化，实现检测。这种设计最大的优势在于稳定、便宜、耐环境变化，而且不像酶那样容易失活。
为了让整个系统真正适用于日常佩戴，研究团队还在图1c–e中构建了一套完整的无线柔性平台。贴片内部集成了NFC模块，可以直接利用手机提供能量，无需额外电池；同时还内置微流控通道，用于自动引导新鲜汗液流入检测区域，避免旧汗液残留带来的误差。更巧妙的是，系统还加入了低电流离子导入诱汗功能，通过微弱电刺激主动诱导出汗，即便用户静止不运动，也能实现按需检测。整个贴片厚度仅约0.3毫米，可以像创可贴一样贴在前臂皮肤上（图1d）。研究人员还开发了手机App，用于实时显示各项生物指标变化，实现真正意义上的“移动实验室”。
图1：展示IREM-W2MS3无线汗液传感贴片的整体架构，包括多生物标志物检测原理、无线NFC供能、微流控汗液采集以及手机实时数据读取系统。
图2展示这套系统为何能够做到高灵敏、高稳定和可再生。研究团队首先利用密度泛函理论（DFT）计算，筛选最适合构建MIP的功能单体（图2b–e）。他们比较了多种常见电活性单体与目标分子的结合能力，最终发现邻苯二胺（o-PD）与吡咯（Py）的组合效果最佳：前者提供强结合能力，后者则有助于降低非特异性吸附。随后，研究团队通过循环伏安、电化学阻抗谱以及扫描电镜等实验，对材料进行了全面验证（图2h–n）。实验发现，模板分子被移除后，聚合物表面会形成大量微孔结构，这些微孔正是用于识别目标分子的“分子锁孔”。与此同时，电子传输性能也明显恢复，说明识别空腔已经成功形成。图2l和图2m的扫描电镜图像则进一步直观展示了MIP与普通聚合物之间的差异：前者表面布满孔洞，而后者则相对平滑。此外，研究团队采用了与人体皮肤力学性质接近的SEBS弹性材料作为基底，其杨氏模量约为1.1 MPa，与人体皮肤十分接近（图2o）。实验显示，这种材料能够承受高达500%的拉伸，并在数千次弯折循环后依然保持稳定导电性（图2q）。这意味着，用户即使在运动、弯手腕或日常活动中，传感器也不会轻易失效。
图2：展示分子印迹聚合物（MIP）的设计与优化过程，包括DFT筛选功能单体、电化学性能验证以及柔性SEBS电极的机械性能测试。
在图3中，作者进一步验证了设备在真实形变条件下的可靠性。研究人员对传感器进行了1000次弯折和拉伸循环测试，并在每隔一定次数后记录电化学响应（图3b–f）。结果发现，即使经历大量机械形变，传感器依然保留约98.3%的信号响应能力，而葡萄糖检测误差变化不到3.6%。换句话说，这块贴片即使长期佩戴、频繁运动，也依然能保持稳定工作。更重要的是，研究团队还直接将贴片贴在人体皮肤上进行测试（图3r–u）。无论是扭转、弯曲还是拉伸，贴片都能牢固贴附于皮肤表面，没有出现开裂或脱层现象。时间序列照片显示，即使连续佩戴30分钟后移除，也未观察到明显皮肤红肿或刺激反应。这说明设备不仅性能稳定，还具备良好的生物相容性。
图3：验证传感器在弯折、拉伸、扭转等机械形变下的稳定性，以及人体皮肤佩戴过程中的生物相容性。
接着，研究人员分别对皮质醇、尿素、乳酸和葡萄糖进行了标定测试（图4a、4b）。结果显示，四种传感器都在生理浓度范围内表现出优异的线性响应，检测下限最低达到亚纳摩尔级别。其中，皮质醇最低检测限仅为0.369 nM，而尿素和乳酸甚至低至0.044 nM和0.045 nM。为了验证选择性，研究团队还加入了多种“干扰分子”进行挑战实验（图4c）。即使面对浓度高出10倍的干扰物，传感器依然能够准确识别目标分子，误差极低。这说明MIP结构确实具备高度特异性的“分子识别能力”。此外，作者还测试了不同批次设备之间的一致性（图4d），结果表明设备间误差很小，说明该技术具备规模化制造潜力。
图4：展示设备对皮质醇、尿素、乳酸和葡萄糖的检测性能，包括灵敏度、选择性、重复性以及与金标准方法的一致性验证。
传统汗液传感器一旦识别位点被目标分子占据，就会逐渐失效，需要更换设备。但作者在这里提出了一种电压触发的原位再生方法：当检测完成后，只需施加一个−0.5 V电压持续55秒，就能把被捕获的目标分子从MIP空腔中“赶出去”，让传感器恢复初始状态（图5b、5c）。研究人员比较了多种再生方法后发现，基于恒电位计时安培法（ECA）的方案效果最好，恢复率可达到约98.7%，明显优于CV、DPV和LSV等传统方法（图5c、5d）。更重要的是，这种再生无需额外清洗液，也不需要拆下设备，真正实现了“原位自动恢复”。
图5：展示IREM-W2MS3的核心创新——原位自动再生机制，通过施加电压实现传感器“自清洁”，支持长期重复使用。
小结
总体来看，这项研究最大的意义，在于它首次把“多指标监测”“无线无电池”“柔性可穿戴”“原位自动再生”以及“长期稳定使用”真正整合进了同一套系统中。相比过去只能短时间、单指标工作的汗液传感器，IREM-W2MS3更接近未来健康电子设备的理想形态：它能够像智能手表一样长期佩戴，却能持续追踪人体分子层面的变化。未来，这类设备有望用于慢病管理、运动健康、精神压力评估，甚至家庭医疗与远程监护，推动医疗监测从“医院中心化”走向“日常生活化”。
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