Nat. Biomed. Eng.|加州大学欧文分校 Rahim团队采用无创无源自电化学再生多模态汗液传感技术实现多维生物标志物长效连续监测

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慢性病管理和日常压力评估需要对多种分子标志物进行长期、连续且无创的动态监测。虽然可穿戴汗液传感器被视为无创检测的重要突破口，但传统化学传感器（基于天然酶、抗体或适配体）由于容易在体表潮湿和温度波动的环境中失活，且在单次结合靶标分子后即发生“表面饱和”而无法复用，难以实现实验室外的长程连续监测。

为了打破这一制约生物电子器件普及的核心瓶颈，加州大学欧文分校（UC Irvine）Rahim Esfandyarpour 教授团队在国际医学工程顶级期刊 Nature Biomedical Engineering 上发表了题为 “Wireless and in situ regenerable multimodal wearable bioelectronic sweat sensor for continuous biomarker monitoring in everyday settings” 的重磅研究论文。该研究成功推出了一款名为 IREM-W²MS³（原位再生、环境稳定、多模态、无线、无源、分子汗液传感系统）的智能穿戴设备。它通过电化学电压控制，首次在人体表皮实现了无需人工干预的“原位自动化传感器再生”，为连续数周的多维分子健康监护开辟了全新范式。

1. 技术核心：DFT 引导的分子印迹聚合物与电压控制原位再生

IREM-W²MS³ 能够跨越“单次使用”限制的核心秘诀，在于其采用了人工合成的分子印迹聚合物（MIP）代替了不稳定的天然蛋白质受体，并开发了电压驱动的分子洗脱技术。

密度泛函理论（DFT）引导的聚合物筛选

天然的酶和抗体在体表高温、多汗、pH 波动的环境下极易变性。研究团队利用密度泛函理论（DFT）在量子力学层面对四种典型单体与目标分子（皮质醇、尿素、乳酸、葡萄糖）的结合能进行了精细模拟，最终筛选出邻苯二胺（o-PD）与吡咯（Py）的共聚物组合，并在电极表面原位电聚合。该材料在保留极高特异性识别能力的同时，具备了强大的热学和化学稳定性。

本图展示了基于 DFT 计算的不同单体与目标分子（皮质醇、尿素、乳酸和葡萄糖）的结合能分布与空间构象图。在聚合层中嵌入普鲁士蓝（PB）作为内部氧化还原探针，使传感器能在 +0.1 V 的低电压下运行，成功避免了传统高电压导致的聚合物过度氧化和失活。

电压驱动的原位自动化传感器再生

当汗液中的靶标分子与电极表面的 MIP 腔体结合后，传感器表面会逐渐饱和。此时，系统无需任何外部化学洗脱液，只需通过无线调控，向电极表面施加一个精细控制的脉冲过电位（-0.5 V，持续 55 秒），即可打破 MIP 结合腔与靶标分子之间的非共价键作用力。被“释放”的靶标分子随后在持续流动的汗液中被冲走，传感器基线电流瞬间恢复至初始状态。

上图详细记录了原位电化学再生机制。通过对比不同电化学方法，确定了以时间为 55 秒、电位为 -0.5 V 的计时安培法（ECA）作为最高效的洗脱策略。实验证明，传感器在经历 100 次完整的“识别-洗脱-再识别”循环后，仍能保持 98.7% 的初始电化学信号响应，展现了惊人的可复用性。

机械稳定性与保形贴合设计

为了确保器件能承受日常运动中的频繁拉伸与扭转，传感面板采用了极具弹性的共形设计。

上图展示了基于 SEBS（苯乙烯-乙烯-丁烯-苯乙烯共聚物）超薄衬底（厚度约 24 µm，Young's 模量约 1.1 MPa）的传感贴片力学测试。在经历 1000 次 30% 循环弯曲以及 1000 次 20% 循环拉伸后，传感器的电化学阻抗变化可忽略不计，且在志愿者皮肤上连续贴附 24 小时未见任何红肿等过敏性红斑反应。 — 上图展示了基于 SEBS（苯乙烯-乙烯-丁烯-苯乙烯共聚物）超薄衬底（厚度约 24 µm，Young’s 模量约 1.1 MPa）的传感贴片力学测试。在经历 1000 次 30% 循环弯曲以及 1000 次 20% 循环拉伸后，传感器的电化学阻抗变化可忽略不计，且在志愿者皮肤上连续贴附 24 小时未见任何红肿等过敏性红斑反应。

微流控与柔性电子系统的架构设计

为了实现完全“无感”的自主监测，IREM-W²MS³ 整合了超薄的微流控流道和无源无线射频技术。

• 五通道微流控流道：传统微流控在传感器再生后易产生新旧汗液混合残留。团队通过 COMSOL 数值模拟，设计了优化后的 5 进气道（5-inlet）微流控孵育腔。
• 高效排空：该设计实现了在 5.2 分钟内将 10 µl 腔体内的陈旧样本进行 99.7% 的彻底置换，完美配合了原位电化学再生过程。
• 低电流无线电离子渗透（IP）：传统的汗液传感器依赖剧烈运动出汗。该系统集成了无线近场通信（NFC）取能模块，直接捕获智能手机或特制腕表（WLR）发射的电磁能，驱动内置的恒流源（仅 100 µA 极低安全电流，远低于传统的 1 mA 刺激电流），通过高生物相容性的卡巴胆（Carbachol）水凝胶进行自主促汗，单次激活可维持长达 2 小时的稳定汗液流速（约 4 µl min⁻¹）。

上图呈现了该器件的完整硬件爆发拆解：包括柔性 SEBS 衬底上的印迹传感器阵列、用于无源能量收集的柔性天线、无线电渗芯片电路，以及展示了在人手腕上蓝墨水被自主诱导汗液完全冲刷、无滞后排空的动态微流控验证。

横向技术对比：IREM-W²MS³ 的全能表现

为了评估该设备在生物电子学领域的学术地位，下表将其与目前主流的几类体表分子监测平台进行了横向对比：

评估维度	传统酶促穿戴传感器（如CGM）	适配体/抗体穿戴传感器	传统微透析/外部质谱分析	IREM-W²MS³（本研究）
监测数据维度	单一指标（通常仅血糖或仅乳酸）	靶标较窄	可覆盖多指标	多指标并行（皮质醇、尿素、乳酸、葡萄糖）
原位再生能力	无（结合后无法原位解离）	极差（难以在人体实现无损剥离）	无需原位再生（属于持续体外物理抽取）	极佳（应用 -0.5 V 电化学脉冲实现原位洗脱）
长期工作寿命	较短（酶容易失活，一般1-2周）	极短（抗体容易变性，多为单次使用）	受限（依赖体外泵寿命）	极长（MIP 材料高度抗环境老化，长达 21 天）
环境耐受性	差（对温度、pH和环境湿度高度敏感）	极差（蛋白质易受体表微环境降解）	中等	极佳（可在 24°C 至 37°C、pH 4.5 至 7.4 稳定监测）
电池与线缆依赖	需集成电池（增加体积与重量）	多需外接有线测试仪表	极高（需体外注射泵供电）	零依赖（完全基于 NFC 无源能量收集与无线传输）

真实世界中的多场景应用验证

研究团队在多个真实、不受限制的日常场景中，验证了 IREM-W²MS³ 的强大实战性能：

本图包含了对受试者进行长周期临床对照的实验曲线。其测试结果（如皮质醇和葡萄糖）与临床常规酶联免疫吸附测定（ELISA）等实验室金标准相比，其测定相关系数 $$r$$ 高达 0.999，证明了该设备在居家复杂环境下的高准度。

21天超长周期的日历曲线绘制

依靠 MIP 的高化学耐受性与电压复位能力，系统成功在单一受试者身上实现了连续 21 天的生命指纹追踪。它清晰地捕获了人体皮质醇的昼夜节律变化（清晨因皮质醇觉醒反应出现峰值，傍晚下降），以及伴随三餐摄入引起的乳酸、尿素和葡萄糖的波动，期间器件性能无显著衰减。

急性心理应激（Stroop测试）与分钟级运动代谢捕获

在短暂的 5 分钟 Stroop 颜色-文字干扰测试中，系统敏锐捕捉到了受试者体内皮质醇浓度的瞬时飙升（平均增幅 35.23%），而其他代谢物保持平稳。在跑步机剧烈运动时，系统则能以 160 秒的高频采样率，清晰绘制出伴随无氧阈值变化引起的汗液乳酸浓度动态波动，展示出对分钟级急性代谢事件的极佳捕捉力。

结论与未来展望

加州大学欧文分校 Rahim Esfandyarpour 团队的这项突破性工作，打破了体表“分子级”传感器难以长期工作的传统认知，通过无源射频与电化学电势洗脱的无缝配合，将可穿戴分子传感技术推向了全新的高度。

但在该技术迈向主流临床与商业健康硬件前，仍需面对以下底层挑战：

• 生物污损（Biofouling）的长期防御：虽然 21 天的测试未出现传感器失效，但在实际生活中，皮肤表面分泌的皮脂、脱落角质细胞和杂质可能会逐渐堵塞 MIP 的微观识别孔径。如何引入更具自清洁或抗蛋白质非特异性吸附涂层，是实现更长服役周期的关键。
• 多路高频信号的解耦精度：当四种不同标志物的传感器集成在同一个微流控芯片中时，如何确保大分子（如皮质醇）和小分子（如葡萄糖）在原位电压洗脱时的速率同步性，并优化边缘端处理器对多路复杂阻抗谱数据的校准算法，是未来器件规模化量产时的重要课题。

参考资料

Rajendran, J., Pei, X., Chakoma, S. et al. Wireless and in situ regenerable multimodal wearable bioelectronic sweat sensor for continuous biomarker monitoring in everyday settings. Nat. Biomed. Eng (2026). https://doi.org/10.1038/s41551-026-01670-2

撰文 | 张越青
审核 | 医工学人理事会扫码加入医工学人，进入综合及细分领域群聊，参与线上线下交流活动医工学人二维码