用汗液发电!中国青年学者发明可穿戴汗液传感器,肥胖和“三高”有望被缓解

用汗液发电!中国青年学者发明可穿戴汗液传感器,肥胖和“三高”有望被缓解
麻省理工科技评论 2020-07-24

2020-07-24

生物电子器件用于个性化精准医疗,将给众多患者带来春天。
生物电子器件用于个性化精准医疗,将给众多患者带来春天。

《中华流行病学杂志》数据显示,2010 年全球 340 万人因超重/肥胖死亡。

亚洲网超重/肥胖会引起高血压、高血脂、高血糖,而“三高”也是世界卫生组织列出的全球性医学难题。

中国疾控中心 2013 年数据显示,每 5 个中国成人中,至少有 1 人患高血压病。与此同时,肥胖、高血压、高血脂、高血糖,也是代谢综合征的主要表现。

来自加州理工学院医学工程系的助理教授高伟,其研究的可穿戴汗液传感器,将对代谢综合征有所改善。

中国青年学者发明可穿戴汗液传感器,肥胖和“三高”有望被缓解

图 | 高伟(来源:受访者)

2016 年,高伟团队提出全集成可穿戴汗液传感器平台,其可以分析各种代谢物和电解质,从而帮助改善代谢综合征。

中国青年学者发明可穿戴汗液传感器,肥胖和“三高”有望被缓解

图 | 测试可穿戴传感器,右一为高伟

十亿代谢综合征患者不再“遭大罪”

代谢综合征,是心脑血管病变和糖尿病的病理基础,全球目前有十亿多人正在遭受其“折磨”。其主要表现为高血压、高血糖、高尿酸和血脂异常等。

营养膳食,是代谢综合征的重要影响因素。高伟的可穿戴传感器,则可让用户实时监测体内营养指标。

当营养指标不良时,用户就能得到反馈,进而通过改变饮食方式,来降低患上代谢综合征的风险。

2017 年,高伟通过离子导入的方法实现局部刺激出汗,病人无需做运动、就能让身体局部分泌汗液。

同时,高伟团队还跟斯坦福大学医学院合作,借助汗液传感器分析汗液成分,实现了囊肿性纤维化的早期诊断,并进行了无创检测血糖的早期研究。

中国青年学者发明可穿戴汗液传感器,肥胖和“三高”有望被缓解

图 | 刺激汗液分泌、并实时检测汗液中的目标分析物(来源:PNAS)

亚洲网过去三年,高伟的大部分工作,集中在继续改进汗液传感器,如开发一些更高灵敏度、更高选择性的传感器,其可用于检测超低浓度的生物标记物。

最近,他提出一种基于全激光加工的皮肤上的实验室,该平台能检测微量代谢物和营养物、如尿酸和络氨酸等,并能实现代谢综合征的长期监测与管理。

同时,他还和加州大学洛杉矶分校医学院,开展患者人体实验的合作。其中一则典型案例,正是利用上述可穿戴设备,对痛风病症进行非侵入式的健康管理。

心理检测不再失真

目前,全世界至少有 2.5 亿人患有抑郁症,而高伟的另一研究方向,是用汗液传感器,进行心理健康管理。

当前,很多医院心理科通过医生对患者提问、或者让患者做一些问卷回答,来判断患者的心理压力状况、以及是否患有抑郁症。

这类诊断方式,受患者自身情绪和判断影响较大,很难保证其准确性。而通过汗液传感器,就可以实现无创的、且更加客观的心理检测。

据高伟介绍,一般通过测量患者身上的化学信号和物理信号如皮质醇等,就可以获知其心理压力的大小。

但是,皮质醇的检测需要采血,这一过程会让患者感到压力,反而更加影响检测结果的准确性。

而汗液传感器是无创的,它不仅能对皮质醇做出更准确的测量,也不会给患者带来压力。

综合皮质醇的含量、以及周期性变化,汗液传感器就能获悉患者的心理压力、和抑郁程度。

目前,高伟已经与美国西达赛奈医疗中心合作,进行抑郁症方面的检测。和美国宇航局的合作也正在进行中,未来或将利用汗液传感器,去检测太空中宇航员的心理压力。

“服药灾难”不再发生

可穿戴传感器,还可对患者药物剂量进行检测,从而告知病人准确的服药量。

据高伟描述,相同剂量的药物,对每个患者的影响不一样,同时每个人吸收能力也有所差异。

病人的服药剂量,通常是以粒为单位,比如一粒、两粒,其并非定制化治疗。而一些药物的治疗窗口很小,摄入药剂量过大,就会导致副作用;摄入药剂量过少,则很难达到治疗效果。

现阶段的药物监控,多通过提取血样,之后送往实验室研究,得到对应的药物摄入效果,这种方式的缺点在于,无法进行实时追踪与动态更新。

而可穿戴汗液传感器在进行药物监控时,可通过改变药物摄入量,去动态检测汗液中的药物含量,从而给病人 “量身定做” 服药方案,最终实现更有效的治疗效果。

最新工作:用汗液发电

亚洲网高伟发现,可穿戴设备的主要挑战之一,是如何给设备供电。

一般做法是用充电电池,但很多国家和地区,目前无法进行便捷充电。如果检测汗液时,汗液本身就可以为汗液传感器供电,岂不是一举两得?

基于上述设想,该团队开发出利用汗液来进行驱动的全集成电子皮肤,该电子皮肤不仅完全不需要电池,还可以通过汗液来给传感器、信号处理和蓝牙无线传输等提供能量。

据悉,这项工作已于 2020 年 4 月,以论文形式发表在 Science Robotics 杂志上。

具体来说,使用生物燃料电池,可以直接从汗液中采集能量。其中的原理是,生物燃料电池可以用乳酸酶、不停地催化汗液中的乳酸并进行氧化反应,此过程中会不断产生电能。

基于该原理,该团队设计了能量采集系统,并利用采集的电能来对传感器、电路、和蓝牙进行供电,通过无线方式将采集到的生理健康信息,发送到手机界面。

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图 | 用于多路无线传感的汗液供电的电子皮肤(来源:Science Robotics)

高伟告诉 DeepTech,目前他们是全球首家实现完全用汗液供能、无需任何电池、仅靠电子皮肤就能进行多通路汗液化学信号监测、并能同时进行无线蓝牙传输的研究团队。同时,整个系统是柔性的,还可用于辅助式假肢操控。

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图 | 对汗液驱动的电子皮肤的人体实验评估 (来源:Science Robotics)

和众多科研院所合作,每周都会收到风投邮件

高伟目前的研究,主要涉及柔性电子、可穿戴设备、生物检测和纳米机器人四个领域。如果用一句话来总结高伟实验室的话,即把生物电子器件用于个性化精准医疗 。

做出器件样机后,必然要跟医学院合作,目前该团队正在跟斯坦福大学医学院,洛杉矶周边的大型医学院如加州大学洛杉矶分校医学院、西达赛奈医疗中心、希望之城国家医疗中心等展开合作。目的是希望把不同的器件,应用于不同的病人身上。

同时,高伟团队几乎每周都会收到来自各大公司、或者风险投资机构的邮件,不过他坦言,要想实现产业化的实际应用,还需要对样机进行优化,让其具备更高的稳定性,从而实现更长期的检测。

同时,在具体的健康问题上,还需通过大范围的人体试验,来评估传感器的性能。

身在海外,不忘中国

2019 年,高伟团队和北京大学信息科学技术学院张海霞教授课题组展开合作。

张海霞组的一名博士研究生宋宇,曾来到高伟团队访问学习,该生也是高伟和张海霞合作论文的共同第一作者,论文的三位共同第一作者,也都来自中国。

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图 | 左起北京大学信息科学技术学院张海霞教授、宋宇和高伟

这篇论文名为《激光雕刻可穿戴传感器,用于敏感检测汗液中的尿酸和酪氨酸》(A laser-engraved wearable sensor for sensitive detection of uric acid and tyrosine in sweat),于 2019 年末发表在 Nature Biotechnology 上。

亚洲网该论文提出了一种新型 “皮肤上的实验室” 概念,即通过全激光加工的方式,制备出多模态皮肤传感贴片,并配合微流道结构与柔性电路板,最终实现汗液中多项微量生物标记物的原位准确探测、与实时新陈代谢管理。

用一句话概括就是:只需要几滴汗液,就可以检测疾病。

中国青年学者发明可穿戴汗液传感器,肥胖和“三高”有望被缓解

图 | 用于代谢和营养管理的汗液传感器示意图(来源:Nature Biotechnology)

借助该合作,研究团队实现了低浓度代谢物和营养物的检测,如尿酸和酪氨酸。尤其是尿酸,其对于监测痛风、糖尿病和心血管疾病非常重要。

在应用方面,双方已经合作做出整个系统,目前已经应用到健康群体和病人群体上,且非常接近成果转化。

除去和北大的合作,高伟还曾跟现任深圳大学副校长张学记,合作开发过基于绷带的汗液监测。

在美国,高伟跟华人教授的合作也非常多。

2019 年,高伟跟美国国家工程院院士、加州理工学院医学工程系与电子工程系 Bren 讲席教授汪立宏,合作研发了一种微纳机器人技术:利用光声断层成像技术实时控制微纳机器人,进行体内的精准药物递送和智能微手术。这项突破性成果最终,最终发表在 Science Robotics 上。

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图 | 高伟和汪立宏的合著论文截图(来源:Science Robotics)

在指导学生方面,高伟表示,很多在海外的中国教授、或华人教授的课题组里,都有相当比例的中国留学生。

他也带了很多中国留学生,目前其实验室大约有 15 名学生,一半左右来自中国 。

作为在海外的中国籍教授,高伟认为生物医学工程的研究,是为了造福全人类的健康,他的主要研究成果,均会以论文形式发表,类似汗液传感器的研究细节,也都会放在文章里供其他研究人员参考。

他表示,在自己的论文发表后,国内也有很多学者,相继开始做汗液传感器的相关研究。

苏北农村走出的名校教授

35 岁的高伟,其人生“大事记”也颇为丰富。

亚洲网31 岁上榜《麻省理工科技评论》全球 “35 岁以下科技创新 35 人” (TR35)榜单,32 岁成为加州理工学院医学工程系助理教授,35 岁上榜世界经济论坛 2020 青年科学家榜单,并已在《自然》《自然生物技术》《科学机器人》等期刊累计发表 97 篇论文。

如今,距离他上榜 2016 年度《麻省理工科技评论》全球 “35 岁以下科技创新 35 人” 榜单,已经过去四年。

相隔一千多个日夜,高伟的成果也更丰富,他最近入选的世界经济论坛 2020 年青年科学家榜单,目的在于表彰青年科学家,对前沿性研究的贡献。入选后,他将跟全球政商领袖面对面,共议科学政策。

从苏北农村到洛杉矶,一路走来既顺利、也不顺利。不同于很多 “TR35” 上榜者生于高知家庭,高伟的父母都没有读过高中,能从农村走到今天,既有中国高考的制度支持,也有自己的努力和父母的支持。

从本科考上华中科技大学机械工程,到去清华精密仪器专业读研,再到加州大学圣地亚哥分校化工系读博。很多学费,都是父母东拼西凑出来的。大学时,高伟看到父母很不容易,还曾勤工俭学挣学费。

如今,高伟是全镇目前唯一一位在海外工作的中国教授。而他从小学起,就从不需要外界鞭策,因为看到父母努力工作,只是为了供他读书,自然也就非常勤奋。

更难能可贵的是,父母一直很尊重他的想法,从未干涉他的决定,这是一种父母对比自己更优秀的孩子的无条件的信任。

同时,高伟也是近年来寒门出贵子的少数案例之一。他表示,很多中国农村地区的孩子,可能根本没听过自主招生,也没钱去上辅导班。

城市和农村的教育资源不平衡,也是农村学生成为高校老师的几率,越来越小的原因之一。

但无论如何,他的案例依然可以激励全球不发达地区的青少年,为从事科研而努力。做科研,家庭背景只是锦上添花,毕竟高考对每个人都很公平,而更重要的是兴趣和努力。高伟可以,更多出生普通家庭、梦想从事科研的孩子们也可以。

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