深圳大学《自然·通讯》:集成超声刺激的可穿戴设备实现可控汗液生成
可穿戴汗液生物传感器能够实现无创分子监测，在个性化医疗和健康管理中具有广阔前景。然而，如何在静息状态下可靠、舒适地按需诱导汗液分泌，仍是该领域面临的核心挑战。天然出汗（运动或高温）受环境、体力消耗和个体生理差异影响，难以主动控制；离子电渗疗法虽可实现静息状态下的局部出汗，但电流刺激可能损伤皮肤、腐蚀电极，并常引起不适（FDA批准的GlucoWatch因皮肤刺激和水疱报告而退市）；药物涂层微针虽能诱导出汗，却破坏了可穿戴平台原本追求的无创性。因此，开发一种刺激可控、皮肤刺激小且完全兼容可穿戴系统的汗液诱导策略具有重要意义。针对上述挑战，深圳大学许太林教授团队联合加州大学河滨分校Xuecheng He博士提出了一种集成超声刺激的可穿戴汗液生成与传感平台。该团队设计了一款柔软的、皮肤贴合的佩戴式设备，将低频超声模块与电化学传感阵列集成在柔性印刷电路板上。设备包含锆钛酸铅压电超声换能器、激光诱导石墨烯电极阵列和微流控通道。工作时，低频超声（0.6 MHz）增强水凝胶储库中卡巴胆碱的透皮递送，诱导局部汗液分泌。超声刺激使皮肤阻抗从约260 kΩ降至约60 kΩ，加速荧光染料在猪皮中的扩散深度和强度，同时使胶原纤维轻度疏松，实现可逆的皮肤渗透性增强。在匹配的15分钟实验窗口内，超声诱导出汗的皮肤刺激和用户舒适度评分均优于测试的离子电渗疗法设置。集成的电化学传感器（K⁺、pH、尿酸）在超声开启/关闭循环中无串扰干扰，线性响应良好。初步人体研究表明，汗液尿酸与血清尿酸呈正相关（r=0.90）。相关内容以“Controlled sweat generation via ultrasound stimulation integrated in a wearable device”为题，发表在Nature Communications！图1. 集成超声汗液生成与电化学检测的可穿戴系统设计：(a) 设备分层结构示意图：超声模块（压电换能器阵列）、微流控通道、传感电极与柔性电路板集成。(b) 超声诱导出汗机制截面示意图。(c) 集成系统中声场分布的有限元模拟。(d) 超声换能器贴合于皮肤表面的光学图像。(e) 柔性控制电路的光学照片。(f) 系统示意图：基于压电换能器和微流控的汗液传感贴片与柔性电路集成。(g) 可穿戴应用中代表性汗液诱导策略的文献定性比较，超声定位于低刺激、可穿戴兼容的方法。图2. 超声性能表征：(a) 超声加速水中染料扩散的光学图像。(b) 超声对水中染料扩散影响的定量分析。(c) 超声贴片在0.6 MHz工作时的代表性波形图。(d) 压电换能器在人体上声压分布的有限元分析（X-Y和Y-Z平面）。(e) 皮肤阻抗测量示意图。(f-g) 0.6 MHz超声刺激下皮肤阻抗的变化（数据为mean±SD，n=3）。图3. 超声用于汗液诱导：(a) 不同超声强度下异硫氰酸荧光素染料在猪皮中扩散深度的共聚焦显微镜观察。(b) 绿色荧光强度统计分析（n=6，双尾t检验）。(c) 超声暴露后离体猪皮的HE染色结果。(d) 模拟出汗过程中微流控汗液采样的照片。(e) 收集过程中微流控通道内液体百分比。(f) 不同时间点微流控通道底面溶质浓度分布的有限元模拟。(g) 微流控通道内平均溶质浓度变化。(h) 超声贴片工作时的表面温度分布（n=3）。(i) 超声贴片与市售离子电渗设备应用后的皮肤刺激强度评估（n=15）。(j) 细胞毒性和生物相容性测试结果（n=3）。图4. 可穿戴超声贴片的电化学性能：(a) 超声贴片核心组件示意图。(b) 拉伸变形下超声贴片的有限元模拟。(c) 超声贴片贴合于人体皮肤。(d-f) pH（d）、K⁺（e）和尿酸（f）电化学信号对超声的串扰测试。(g-i) pH传感器（g）、K⁺传感器（h）的开路电位响应及尿酸传感器（i）的差分脉冲伏安响应，以及各自的线性校准曲线。图5. 可穿戴超声电化学贴片的体内性能：生物标志物追踪与用户反馈评估：(a) 受试者在静息状态下佩戴设备的照片。(b) 系统级框图：从电源通过换能器和生物传感器到用户界面的功率与信号流。(c) 各评分范围的量表（0最满意，10最不满意）。(d) 15名志愿者对比超声贴片、市售离子电渗设备和运动诱导出汗的用户体验评分（箱线图：中位线、箱体25-75百分位、须线1.5倍四分位距，方块为均值，点为各参与者评分，n=15）。(e) 三名参与者在80分钟日常活动中（交谈、工作、静息）的监测。超声诱导和离子电渗诱导均采用15分钟刺激期，随后自然维持出汗80分钟。(f) 尿酸代谢示意图。(g) 4名受试者在摄入富含嘌呤餐后5小时内汗液和血清尿酸水平的变化（每60分钟重新施加超声刺激诱导汗液）。(h) 人体受试者中超声诱导汗液与血清尿酸浓度的相关性（r=0.90）。本研究开发了一种柔软的、皮肤贴合的集成式超声-电化学可穿戴平台，实现了静息状态下的按需汗液生成与多指标电化学传感。低频超声通过增强皮肤渗透性、促进卡巴胆碱透皮递送，在15分钟内稳定诱导汗液分泌，其皮肤刺激性和舒适度在匹配的15分钟实验窗口内优于测试的离子电渗方案。集成的K⁺、pH和尿酸传感器在超声工作期间无串扰干扰，线性响应良好。人体饮食干预实验显示，超声诱导汗液中尿酸与血清尿酸呈正相关（r=0.90），支持其作为无创代谢标志物的临床潜力。该工作凸显了可穿戴超声作为片上生物流体主动管理致动器的价值，为下一代个性化数字医疗中的闭环传感与治疗系统奠定了基础。
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https://doi.org/10.1038/s41467-026-73789-4来源：BioMed科技声明：仅代表作者个人观点，作者水平有限，如有不科学之处，请在下方留言指正！
