早期檢測疾病需要快速且方便地監測重要的生物標誌物。新加坡國立大學（NUS）的研究人員開發了一種新型傳感器，可以持續、就地檢測新建立的固態表皮生物標誌物（簡稱SEB）。
該研究團隊由NUS生物醫學工程系的劉宇鑫教授帶領（https://www.lab-liu.com/），提供了一種非侵入性的方法，透過直接在皮膚上檢測膽固醇、乳酸和葡萄糖等生物標誌物來監測健康。該計畫和新加坡科學院的Yang Le博士的團隊合作。
固態生物標記物傳感器
團隊開發的這種可穿戴、可拉伸、基於水凝膠的傳感器
克服了目前依賴血液、尿液和汗液等生物液體樣本方法的局限性，使其成為持續、即時健康監測的有前途的替代方案，促進疾病的早期檢測。這一發展尤其適用於慢性病管理、全人群篩查和遠端患者監測等領域。
團隊的研究成果已發表在2024年6月12日的【自然：材料】期刊上。
克服現有挑戰的創新
固態生物標記物有望替代血檢，尿檢
監測生物標誌物——即在血液或其他體液中發現的分子，能夠反映細胞或有機體在某一時刻的狀況——傳統上需要分析血液、尿液和汗液等生物液體。盡管有效，這些方法存在挑戰。血液檢測是侵入性的且不方便，尿液分析可能麻煩且缺乏即時能力，而透過汗液探測生物標誌物雖然是非侵入性的，但由於難以在不活動的人身上誘導汗液以及使用誘汗藥物的不適，限制了其套用。這些都對疾病的早期診斷和治療構成了障礙。
SEB提供了一種引人註目的替代方案。這些生物標誌物，如膽固醇、乳酸和葡萄糖，存在於皮膚的最外層角質層中，並與心血管疾病和糖尿病等疾病有強相關性。然而，就地檢測這些生物標誌物一直是困難的。例如，傳統的固態電極缺乏進行SEB電化學檢測所需的離子和電子通路。
NUS研究團隊透過他們的新型傳感器設計克服了這一挑戰。「我們的水凝膠由一個離子導電水凝膠（ICH）層組成，它溶解SEB，另一個電子導電水凝膠（ECH）層促進電子傳輸，」劉助理教授說。「這種離子-電子雙層結構使固態分析物的溶解、擴散和電化學反應得以順序進行。」
當裝置佩戴在皮膚上時，SEB會溶解在ICH中，透過水凝膠基質擴散，並在ICH和ECH之間的酶催化下發生電化學反應。相關的生理數據隨後透過柔性印刷電路板無線傳輸到外部使用者介面，實作連續監測能力。
可靠、敏感且使用者友好
與傳統需要生物液體樣本的傳感器不同，NUS團隊的傳感器可以直接在皮膚上持續、非侵入性地監測SEB，使其對於遠端患者監測和全人群健康篩查具有重要價值。
用SEB傳感器非侵入的動態監測人體乳糖變化
在臨床研究中，
傳感器顯示出皮膚檢測到的生物標誌物與血液樣本中的生物標誌物之間有強相關性。
這驗證了傳感器的準確性和可靠性，表明其可以作為血液檢測的替代方法來監測糖尿病、高脂蛋白血癥和心血管疾病等慢性病。
傳感器的靈敏度是另一大優勢。「它可以檢測到超低水平的固態乳酸和膽固醇，」劉教授說。「這種靈敏度接近質譜法，確保了這些生物標誌物的精確監測。」
此外，傳感器的設計減少了由於使用者運動導致傳感器位置或與皮膚接觸壓力變化引起的運動偽影，比傳統傳感器減少了三倍。這一新發現由A*STAR的Liu Zhuangjian博士和Li Hongying博士的團隊透過數學建模成功驗證。透過最小化運動引起的幹擾，雙層水凝膠確保了數據讀取的一致性和可靠性，而裝置的可拉伸、皮膚狀性質增強了使用者的舒適度。
推出下一代傳感器
NUS研究人員計劃透過增加傳感器的工作時間和靈敏度來提升其效能。此外，他們還打算整合更多的固態分析物，擴大傳感器對其他生物標誌物的適用性。研究人員還在與醫院合作，提供更多的臨床驗證，並將這項技術帶給患者，特別是用於持續血糖監測以及動態恢復力的定量評估。他們預計這項技術將在大約五年內實作商業化。
團隊資訊
課題組網站 https://www.lab-liu.com/
論文資訊
釋出期刊Nature Materials
釋出時間 2024年6月12日
文章標題Stretchable ionic–electronic bilayer hydrogel electronics enable in situ detection of solid-state epidermal biomarkers
（https://doi.org/10.1038/s41563-024-01918-9）
