深圳大学张学记/苏磊教授&北京医院王建龙教授团队:可穿戴微针贴片-用于抗利尿激素紊乱综合征智能早期预警
- 2026-05-08 22:23:02
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文章信息
通讯作者：张学记，苏磊（深圳大学），王建龙（北京医院）
作者：谢媛婷，李凯迪，刘静，周映，张创杰，于艳，王建龙*，苏磊*，张学记*
Keywords：
convolutional neural networks (CNN)
interstitial fluid
microneedles
point-of-care testing (POCT)
wearable sensors
原文链接：
https://doi.org/10.1002/agt2.671
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文章简介
我国正加速步入老龄化社会。根据国家统计局公布的数据显示，截至2022年底，我国60岁及以上老年人口数量已超2.8亿，占全国总人口的19.8%。跌倒在老年人群中发生率较高，是对老年人最常见的伤害，而频繁的夜间排尿 (夜尿症) 显著增加了老年人跌倒的风险。夜尿症通常需要使用人工合成的抗利尿药物（如去氨加压素）进行治疗。然而，这类药物可能引发抗利尿激素紊乱综合征 (SIADH)，导致体液潴留，同时破坏体液钠离子的平衡，降低尿酸水平，严重时会导致嗜睡、昏迷、急性心功能不全和急性肾衰竭等严重的不良反应，在高龄患者中发生率较高。因此，对于服用抗利尿激素的患者，需要监测体内钠离子和尿酸水平，以确保用药的安全性。然而，当前的检测技术通常依赖采血，往往存在诸多不便，并伴有感染风险。
基于微针的组织液传感技术具有微创、无痛、感染风险低、患者依从性高等优点。然而，目前组织液检测仍面临诸多难题，如采样量低、耗时长、成分复杂等。这些问题为开发便于居家使用的快速体内钠离子和尿酸检测技术带来了极大挑战，也增加了对使用去氨加压素不良反应进行预警的难度。
本文设计了一种卷积神经网络 (CNN) 增强的智能可穿戴微针阵列比色传感器 (WMNC) 用于检测组织液钠离子和尿酸水平变化(图1)。
图1. 可穿戴微针贴片-用于抗利尿激素紊乱综合征智能早期预警示意图
该传感器由负压驱动的微针阵列贴片和内置比色传感纸芯片组成，可实现高效的组织液提取和快速比色检测。该技术利用3D微结构打印技术构建了双通道空心微针阵列，并集成小型真空管和比色纸芯片，制成可穿戴式微针传感器。测试结果表明，该微针阵列贴片具有良好的力学性能、穿刺能力和活体组织液提取性能 (图2)。
图2. WMNC传感器的设计、集成和表征
在比色纸芯片上构建的钠离子、尿酸显色体系，能够实现对钠离子 (检测范围90-176 mM，检测限51.45 mM) 和尿酸 (100-650 µM，检测限31.95 µM) 的准确检测 (图3)。
图3. WMNC 传感器的比色检测效果
进一步地，借助自主开发的CNN模型，WMNC传感器能够有效消除非标准环境下环境光对比色结果的影响，显著提升了比色结果分类的速度与精确度 (钠离子显色识别准确度99.17%，尿酸显色识别准确度98.42%)。随后，将该CNN增强的WMNC传感器在抗利尿激素紊乱的活体大鼠中进行了验证，表明了该传感器具有良好的组织液钠离子、尿酸检测性能 (图4-5)。
图4. 自研CNN模型的钠离子、尿酸分类识别性能
图5. WMNC传感器在活体大鼠中的比色检测性能评价
本文有望推动组织液微针快速提取及即时检测技术的发展，拓宽比色技术在非标准化环境中的应用，为居家个性化、简便、无痛检测提供创新技术支撑。
以上研究论文以“A smart lab on a wearable microneedle patch with convolutional neural network-enhanced colorimetry for early warning of syndrome of inappropriate antidiuretic hormone secretion”为题发表于 Aggregate 期刊，论文第一作者为深圳大学医学部生物医学工程学院的谢媛婷博士，通讯作者为深圳大学医学部生物医学工程学院的张学记讲席教授和苏磊教授，北京医院的王建龙教授。
（Aggregate 2024, e671，https://doi.org/10.1002/agt2.671）
通讯作者
张学记，深圳大学教授，国家特聘教授，美国医学与生物工程院院士，俄罗斯工程院外籍院士，俄罗斯工程院中国中心副主席，欧洲科学院院士，世界精密仪器公司首席科学家，清华大学，美国USF，沙特国王大学，日本东京大学等多所大学兼职教授，国家重大研究项目首席科学家，国家重点研发专项首席科学家，国家重大研究计划指导专家，国家基金委化学部咨询委员会委员，国家科技部合成生物学重大专项专家组副组长，中组部国家人才评审巡视组组长。担任 RSC Sensors & Diagnostics 等24个国际刊物主编、副主编和编委。获首届全国创新争先奖、首都劳动奖章、中国杰出工程师奖、科学中国人年度人物。迄今，已在国际一流期刊 Chem. Rev., Science 和 Nature 子刊、JACS 等发表SCI论文700多篇，专利180多项，专著8部，SCI 引用3万多次, H=87, GoogleScholar引用4万多次，H=104。30多项全球技术产业化，在100多个国家使用。
苏磊，深圳大学教授，深圳市高层次专业人才-地方级领军人才，深圳市纳米生物传感技术重点实验室副主任，深圳大学国际健康医学创新中心主任，广东省化学学会第八届分析化学专业委员会委员，深圳市生物医学工程学会理事，深圳市生物医学工程学会生物医学材料专业委员会常委，武汉大学深圳校友会生物医药分会理事，第三届抗菌科学与技术论坛学术委员会委员，公安部禁毒情报技术中心副高级警务技术职务任职资格评审委员会委员，湖北赤壁产业技术研究院技术顾问，中山市上品环境有限公司技术顾问等，迄今，发表SCI论文100余篇。
课题组链接：
https://www.x-mol.com/groups/bme-su
王建龙，北京医院教授，第一届国家卫生计生委优秀青年。获科技部重大专项、中央高水平研究、国家支撑计划、首都临床特色应用研究等多项国家级和省部级科研项目支持。现任国家老年医学中心、尿控盆底疾病诊治中心副主任；北京医院泌尿外科行政副主任、主任医师、博导、医学博士、日间手术中心负责人；中国人体健康科技促进会尿控盆底疾病专业委员会常务委员兼副秘书长；北京慢性病防治与健康教育研究会泌尿结石诊疗专业委员会常务委员；北京医学会泌尿外科学分会青年委员会副主任委员；中华医学会泌尿外科分会泌尿和男科工程学组委员兼秘书；中国医师协会 (CUDA) 微创及机器人学组委员；北京抗癌协会泌尿男生殖肿瘤专业委员会青年委员会副主任委员；北京性腺轴疾病防治研究会第一届理事会理事；CUA 《膀胱过度活动症诊断治疗指南》编委及秘书；《中华泌尿外科杂志》、《中国功能泌尿外科杂志》、《临床药物治疗杂志》编委。迄今，以第一作者/通讯作者在国内外权威期刊 Urol J、Lasers in Medical Science、International Journal of Molecular Sciences、中华泌尿外科杂志、中华老年医学杂志、中华全科医师杂志等发表论文30余篇，参编和主译了多部专业书籍和国家级教材。
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