近期，深圳大学与加州大学圣迭戈分校等机构的联合研究团队，在 Nature Communications 上发表了一项极具开创性的工作。他们成功开发出一种集成了低频超声物理场促汗与多路微流控电化学传感的软性、皮肤共形可穿戴杂化系统。该研究利用低频声波物理场高效、温和地扰动角质层脂质双分子层，实现了药物卡巴胆碱（Carbachol）的高效透皮递送，在完全无电场、无创口的前提下，实现了安全、无痛、受试者高度满意的按需排汗与实时多指标分子监测。这项研究不仅为非运动状态下的汗液连续管理提供了全新的物理学工具，也深刻重构了无创数字医疗的底层硬件逻辑。
软性物理与化学的共生：一体化超声-传感器件系统设计
在柔性生物电子器件的设计中，将产生高频机械振动的声学换能器与高灵敏度的弱电信号化学传感器集成在微小的皮肤贴片上，往往面临着结构设计与信号串扰的物理壁垒。传统的超声物理治疗设备由于压电元件刚性大、功耗高、体积庞大，通常需要手持和使用大量声学耦合凝胶，无法在日常佩戴中发挥连续监测效能。
为了跨越这一障碍，研究团队设计了一种具有垂直堆叠多层几何结构的柔性超声-电化学杂化贴片。整个微系统在结构上巧妙解耦，其核心由五片并联的锆钛酸铅（PZT）压电超声换能器阵列、聚二甲基硅氧烷（PDMS）基微流控通道，以及通过激光直接雕刻生成的激光诱导石墨烯（LIG）多路电化学传感器阵列共同构成。
该图展示了超声排汗传感系统的三维多层结构（a）、声学物理促汗机制（b）、有限元声压模拟分布（c）、换能器贴附皮肤光学照片（d）、FPCB实物图（e-f）以及与其他排汗技术的定性对比图（g）。
该系统的控制链路由一块轻量化的柔性印刷电路板（FPCB）统筹，板载集成了微控制器（MCU）、脉冲信号发生器、多路复用器和精密模拟前端（AFE）。系统运行阶段，MCU发出调制触发指令，脉冲发生器产生特定频率的射频电信号驱动压电晶片，使其在压电反效应下产生定向发射的高频声波。声波穿透下方搭载了卡巴胆碱的琼脂糖水凝胶储药库，推动药物穿过表皮屏障到达局部汗腺区。随着汗液源源不断地产生，在汗腺天然分泌压力的驱动下，新鲜汗液沿着PDMS微流道流向空间分离部署的LIG电化学传感器。此时，AFE传感模块对钾离子（K+）、pH值和尿酸（UA）这三种关键生物标志物进行信号采集，经高精度模拟前端和内置模数转换器（ADC）数字化后，通过低功耗蓝牙（BLE）向外部移动智能设备进行实时、无线、无损的生理数据呈现。
相比之下，目前商业化最成功的可穿戴汗液贴片（如 MIT 衍生企业 Epicore Biosystems 开发的 Connected Hydration 系统）主要采用被动微流控技术，依赖受试者高强度运动或高温环境来被动采集排汗参数。虽然 Epicore 贴片在极端工业环境下能有效预防职业热应力，但其对静息状态或需要精确临床分子监测的患者却无能为力。本研究提出的一体化超声主动促汗机制，不仅填补了这一空白，更为静息状态下的连续生命体征管理提供了可穿戴物理层面的终极方案。
下表详细对比了目前汗液采集与监测领域的几种代表性软硬件系统：
表1：主流柔性汗液监测与经皮驱动微系统的多维参数对比
|
|
|
|
|
|
|
|---|---|---|---|---|---|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
解耦角质层密码：超声换能器的声电性能与皮肤屏障的可逆扰动
人类皮肤角质层由密集的死皮细胞和层状排列的脂质双分子层构成，被形象地比作“砖块-泥浆”结构，构成了人体阻止外界物质渗入的天然高电阻、高阻抗物理屏障。超声辅助透皮递送（Sonophoresis）的物理学精髓，在于声波机械振动在介质中传播时所激发的微流动（Micro-streaming）、声辐射力以及微空化效应（Cavitation）。
为了在保障受试者完全无痛无损的前提下获得最强经皮递送效能，研究人员针对驱动频率和声场分布进行了深刻的物理场仿真与优化。在该系统中，团队选定 0.6MHz 的声学谐振频率作为核心激发参数。实验证明，若采用更高频率的超声（例如1-2MHz），由于声衰减过快，机械振动无法有效触及真皮浅层的致密基质；而如果采用过低频段（如200kHz），其强空化震荡往往会因声场梯度过大而带来一定的灼烧隐患。0.6MHz 正好处于在皮肤组织中传播效率与阻抗匹配的“黄金折衷区”，能够完美实现声能量的深度穿透与均匀分布。
有限元分析（FEA）的声压空间数值分布仿真结果表明，在0.6MHz 谐振频率激发下，压电晶片产生的机械应变波能够在水凝胶储药库及真皮浅层软组织内部，形成垂直向下、穿透深度达 4mm 的均匀对称强声压梯度分布场。在换能器轴向中心轴线上，稳定的声压梯度能产生定向的声流推进力。
为了深入探索超声场对皮肤物理性质的作用过程，团队在真皮层阻抗（Rbody）等效电学模型中，实时测量了受试者局部角质层的交流电化学阻抗变化。在超声贴片未激发前，由于干燥致密的角质层阻隔，受试者局部基线阻抗维持在 260kΩ 左右的高阻值状态。而一旦开启0.6MHz 超声机械微震荡，声压梯度推动微水凝胶中气泡在声学剪切力下发生空化塌陷，产生数微米尺度的瞬态机械力，使角质层高度有序的脂质双分子层脂质链瞬间产生物理微移和疏松。
在这股无痛微机械力作用下，皮肤电化学阻抗在数秒内迅速骤降至60kΩ 的低阻状态，降幅超过 75%。阻抗的崩塌直接证明了角质层屏障被暂时、可逆地打开，极大地提升了分子的跨膜有效传输速率。当超声物理刺激撤去后，表皮角质层由于天然弹性开始自主结构重组，经皮水分流失量（TEWL）以及阻抗在30min 内逐渐稳定复原回初始基线水平，展现出完美的物理可逆性，避免了不可逆的表皮破损。这与利用红色染料等分子示踪剂测得的高速透皮扩散动力学曲线展现出了极高的电-物性关联一致性。
安全与效率的博弈：透皮扩散动力学与组织级生物相容性评估
探寻最佳促汗效能与极限生物安全性之间的平衡，是可穿戴透皮驱动贴片走向日常临床使用的核心标准。在该项工作中，研究人员采用含有异硫氰酸荧光素（FITC）、钙黄绿素和罗丹明 B 等多重带电/电中性荧光大分子的琼脂糖模型水凝胶，在离体猪皮组织上进行了一系列严苛的经皮递送深度与剂量横向梯度评估。
在三维激光共聚焦成像下，相比完全无超声的被动扩散对照组，施加超声物理场后的皮肤组织内荧光扩散深度和荧光信号积分密度呈现出阶跃式上升。随着驱动励磁电压从5V 递增至15V、再至25V，声透剪切应力非线性放大，推动荧光大分子极快地克服表皮阻力，深深渗入真皮胶原网络。组织学苏木精-伊红（H&E）染色进一步提供了微观病理学印证：超声作用后的皮肤切片仅表现出致密多层表皮细胞间隙暂时性生理拓宽、真皮胶原纤维束轻微可逆松散，并未发现由于热效应或不可逆空化导致的机械性坏死、微血管破裂或炎症侵润。
超声作用不仅提高了排汗效率，其集成的微流控系统更是通过有限元流道相变动力学仿真进行了精细的流场设计。仿真结果显示，在模拟人体微弱排汗速率（1.5μL/min）下，流道内的气液界面推进迅速，在约210s内便可实现对核心电极传感功能区的整体浸润与湿润覆盖。从旧汗液中溶质浓度由 0 突变至 0.12mol/m3 的时变响应曲线来看，更新其传感流腔中90%残留液的更新时间仅为240s 左右。高时空分辨率的微通道流体刷新速度彻底解决了传统“大死体积”收集贴片中因新陈汗液交叉污染导致的信号平滑和滞后，确保了所得分子数值能真实对应受试者当下的生理断代。
在热学和系统干扰排除测试中，该平台也展现了严谨的解耦逻辑。红外测温表明，换能器工作期间，整个贴片的局部皮肤接触点最高温升仅限制在 25.3±2.68℃ 升至26.85±1.2℃ （增温 ≈1.5℃），远低于人体温感感受器诱发自然热排汗所需的极值阈值。
此外，如果替换去除琼脂糖中的促汗激动剂卡巴胆碱，单凭单纯的超声物理振荡，皮肤表面根本无法发生任何湿润或排汗液滴聚集。这一反向控制对照组有力证明了排汗机制纯属由低频超声无创渗透递送促汗分子靶向激活排汗受体所致，不含任何温度辅助诱导成分。
研究确定了15min 的最佳超声作用时长。受试者对本超声贴片进行了连续七天、每日一次的使用测试，局部阻抗依然保持了极佳的生理稳定性，无持续发红和物理屏障退化现象。
为了客观评价舒适度，研究人员定量计算了红斑指数（Erythema Index）：
在 15min激发周期后，超声诱导组的红斑指数极低，而传统临床离子导入排汗在同等负荷刺激下的红斑指数高达1.242±0.118。这种舒适度的代差源自物理驱动本质的区别：离子电泳极易激发微电弧、在电极边缘产生酸碱极化累积并刺激表皮敏锐神经，而超声声透仅向真皮层注入极其温和的机械交变声压波，彻底杜绝了电化学创伤的可能性。
最后，该系统在大鼠和人体成纤维细胞中进行了 CCK-8 细胞毒性验证，其72h 生物代谢存活率依然处于约 91.86% 的绝对安全区间内。由于压电元件的声发射强度经核算在空间峰值时间平均（SPTA）声强下仅为130.7mW/cm2，远在 FDA 针对诊断超声安全暴露设定的720mW/cm2 国际红线以下，进一步巩固了该技术的长周期日常佩戴安全性。
这一高度安全的声学给药机制，让人不禁联想到麻省理工学院（MIT）Canan Dagdeviren 团队开发的 Conformable Ultrasound Patch (cUSP)。cUSP 同样利用柔性 PDMS 内部嵌套大尺寸压电材料产生微空化射流，在仅仅 10min 的声波作用下，便将烟酰胺活性分子的穿透总量提升了 26.2 倍之多，效率匹敌微针刺穿技术。
此外，欧洲创新机构资助的 Medicsen 公司开发的 Sonophoresis Smartpatch 也是该领域的佼佼者。Smartpatch 将超声物理发生核心浓缩至2.5cm极微尺寸，可在不破坏神经通路的前提下，暂时物理拓宽上皮细胞间空隙，实现大至200KDa生物大分子（如胰岛素、GLP-1、肝素等）的透皮无针安全注射。相比于单纯的“给药”或“促排”，本工作更进了一步：它在真皮浅层声流给药的同时，同片内无缝嵌套了多路分子电化学传感探针，首次真正达成了声学促汗-体液引导-微纳分析的原位功能闭环。
零交叉耦合：高性能微纳传感与高频声场的兼容控制
在极微小的柔性电极贴片上，当数十万赫兹的高频射频波和剧烈的交变机械波动发生时，邻近的电化学电极极易通过导电基底或空间辐射产生极强的位移电流耦合与高频噪声，使得极微伏、微安级的高精密离子与电势传感信号完全被电杂音淹没，导致传感器标定彻底崩溃。
为了克服这一跨界干扰壁垒，该团队在系统设计和电化学层面实施了严谨的物理场“解耦控制”。首先，从拓扑空间几何入手，PDMS 的微流控汗液引导入口被巧妙地侧向平移部署在换能器边缘，使其与强声学振荡中心在物理空间上拉开安全距离。但由于激动剂被推入皮下后能在毛细组织内发生自然各向同性物理扩散，这使得在超声侧翼的微进入区域依然能接收到受药诱导分泌的大量鲜活排汗。在有限元机械应变拉伸测试中，结合了复杂非共面蛇形（Serpentine）导线几何的桥连网络成功分散了 150N 的人体关节大幅度运动剪切拉伸负载，使其能始终牢牢共形贴附于起伏的皮肤表面，保障了高保真的声电接触质量。
为了直接考察高频机械声波发射对化学测量阻抗电位的电磁干扰，团队在标定参比池中实施了极其严苛的交替“超声开启-关闭”原位标定干扰实验。令人振奋的是，当微型 PZT 换能器进行间歇性高幅超声周期激发时，pH 和钾离子的开路电压（OCP）曲线以及尿酸的微分脉冲伏安法（DPV）响应峰电流，均未发生任何杂散电位漂移、信号台阶或阶跃突变，基线保持了完美的静默平稳。这一跨电学去重合性能打破了声-电-化学在方寸柔性基底上兼容的痛点。
基于激光诱导石墨烯（LIG）的高敏化学阵列呈现出极佳的测量性能：
pH 传感器：采用特异性氢离子响应电极薄膜，在 pH 4-8 生理变动区间内，展现出超高 Nernst 理论极限灵敏度；
钾离子传感器：通过搭载高性能缬氨霉素（Valinomycin）选择电极外膜，在1-32mM 的生理浓度跨度下，其 OCP 呈现出 54.05mV/dec 的超高响应，线性相关度卓越，LOD 低至 5.3μM；
尿酸（UA）传感器：利用无需高昂天然酶修饰的 Au-decorated LIG 金纳米微粒功能化石墨烯极板作为工作电极（WE），通过 DPV 伏安氧化机制，在2-128μM 区间内呈现出 0.03199μA/μM的灵敏响应，检测下限突破至0.19μM。
在含有大量尿素、乳酸、抗坏血酸等复杂电活性杂质干扰的人工汗液中，所有三组电化学传感器均呈现出极强的目标专一特异性。
该 LIG 传感器的优异表现，超越了传统在橡胶手套上通过简单油墨印刷构建的多路传感器，标定曲线一致性更强，从根本上解决了一次性贴片在使用中极易出现的信号零漂和抗弯折疲劳问题。
同时，Au-decorated LIG 的非酶催化反应相比于传统极易受局部酸碱盐度、储存温度影响而发生生物失活变性的天然尿酸酶传感器（Urate Oxidase Based Sensors），呈现出了更为优异和持久的货架寿命，线性范围比传统氧化酶方法宽数个量级，成功为后期受试者真实汗液定量打下了坚实基础。
真实世界中的分子追踪：受试者体征评估与无创代谢映射
为了打通该平台从物理创新走向临床医学转化的“最后一公里”，研究人员在真实人体皮肤环境中，开展了深度在体促汗与生理指标连续比对分析。
首先，为了严格量化受试者的主观体验，团队在 15 名不同性别的青年受试者中，引入了经典的视觉模拟评分法（VAS，采用 0-最满意 至 10-最不满意 量表），针对红斑严重程度、刺痛感觉、自加热不适感这三个关键指标，对超声诱导贴片、传统临床离子导入设备（1.5 mA恒流电荷驱动）以及在中等负荷跑步机上跑步运动这三种汗液诱导模式，实施了深度横向盲测评分。数据反馈印证了超声促汗贴片的独创舒适度：其主观 VAS 得分在各项指标中均呈现出压倒性的优势，完全没有传统离子导入电场作用时引发的表皮细微电刺痛、奇痒难忍感，同时也完全规避了剧烈运动后受试者核心体温上升引发的不适感，贴片被剥离后皮肤无任何色素沉着与破损，展示出卓越的在体生物相容性。
在此基础之上，研究团队开展了一项控制饮食的大型体内嘌呤代谢连续追踪试验。尿酸是人体嘌呤化合物的最终代谢终产物，其血清水平超标是临床诊断痛风、高尿酸血症以及心血管病变的基石。
受试者摄入由海鲜、高嘌呤红肉及啤酒组成的膳食。随后，在长达300min(5h) 的代谢监测期内，贴片上的超声模块每隔60min被重新自动激活一次，以诱导和收集一波纯净、鲜活的局部微量汗液。在每次排汗峰值期，系统自动提取化学传感器电信号，与此同步的是，医护人员定时抽取对应的临床外周静脉血样，利用医院级标准自动生化分析仪测量血清真实尿酸值。
在体数据展现出了极其优异的生物学一致性：在四名志愿者中，虽然不同受试者因饮食偏好、基线代谢通量差异呈现出不同的峰值浓度，但在摄入嘌呤大餐后1-3h的区间内，汗液中尿酸传感器记录到的电流变动曲线均表现出了和临床静脉血尿酸近乎完美同频的爬升走势，且均在餐后约第 4 小时共同步入代谢高地。经过统计学深度回归分析，受试者在300min内配对的汗液与血清尿酸浓度具有极其显著的正相关，其整体 Pearson 相关系数高达r=0.90。这一关键指标的拟合成功，有力地论证了该软性超声贴片诱导的新生汗液能够精准、无延迟地充当血液中尿酸含量的理想“非侵入性物理替身”，宣告了利用温和物理声学代替频繁扎针痛感的可穿戴代谢慢性病筛查设备已极具产业化成熟度。
主动物理监测的无限未来
纵观可穿戴健康技术的发展史，目前市面上的商业设备或在研贴片（如 Epicore 的 Connected Hydration 和 Caltech 团队的各类化学传感衣）要么局限于物理特征（心率、步数、脱水程度）的无创宏观估算，要么在进行精细化学分子级分析时不得不受制于痛苦、刺激、局限严重的促排手段。深圳大学等机构的联合团队另辟蹊径，首次打破这一跨学科屏障，将原本笨重的临床物理“超声声透给药”精妙地收纳进厚度仅为数毫米的柔性共形结构内，在微系统内部实现了物理能量场（超声声压）向化学排汗流道（微流控）再向最终微纳传感器的能量与物质转换闭环，彻底实现了静息状态下舒适、可重用的分子监测革命。
不仅如此，该平台的物理场机制在更广阔的多靶点生物医疗中展现出了无限的外延想象空间。既然可以通过微型超声将促汗激动剂输送入皮下，我们自然也可以依托完全相同的压电共振物理场，随时逆向将治疗用的各种高浓度、大分子药物（如用于控制代谢紊乱和肥胖的 GLP-1 类似物、控制痛风的秋水仙碱，甚至大剂量胰岛素）无创、无痛、受控地递送至皮下微血管网中。
结合贴片内置的多路生物高精电化学传感器的实时反馈，新一代可穿戴设备将不再是一个单纯的“健康监测计”，而是彻底蜕变成集“无创高精筛查、智能算法本地分析决策、高精度局部透皮给药物理场控制”于一体的三合一全闭环移动数字医院终端（Wearable Closed-loop Theranostics）。这种“无针、无痛、无电刺激、无感存在”的极致优雅医疗，将在未来数年内从根本上重塑糖尿病、高尿酸血症、心力衰竭及脑卒中后期神经康复等数亿重症慢性病受众的居家生活轨迹，成为数字医疗转型道路上不容忽视的里程碑。
关键判断
这项工作的核心价值不只是“主动促汗”，而是把低频超声促排、微流控引导和微纳电化学传感整合为一个可穿戴分子监测闭环。
来源
-
1. Chen, L., Su, B., Zhong, G. et al. Controlled sweat generation via ultrasound stimulation integrated in a wearable device. Nat Commun (2026). https://doi.org/10.1038/s41467-026-73789-4
审核 | 医工学人理事会
