Gx Sweat Patch（汗液貼片）是一種可穿戴的微流控汗液傳感器，運動員可通過佩戴它來監(jiān)測出汗率和汗液氯化物濃度。

據(jù)麥姆斯咨詢介紹，近期，數(shù)字健康解決方案創(chuàng)新廠商Epicore Biosystems（簡稱：Epicore）和佳得樂運動科學(xué)研究所的研究人員按照“從開發(fā)和優(yōu)化可穿戴排汗感應(yīng)平臺的原型，到在競技個人和運動員團隊中的驗證，以及商業(yè)發(fā)布面臨的挑戰(zhàn)”的順序，重點介紹了Gx汗液貼片的商業(yè)化進程。

汗液分析

外泌汗腺是重要生物系統(tǒng)的關(guān)鍵組成部分，在該系統(tǒng)中，錯綜復(fù)雜的皮膚毛孔群在交感神經(jīng)系統(tǒng)的控制下排泄汗液，以調(diào)節(jié)熱穩(wěn)態(tài)。基于汗液的豐富成分（電解質(zhì)、代謝產(chǎn)物、微量營養(yǎng)素、激素、蛋白質(zhì)、核酸和外源性物質(zhì)）以及相對容易被非侵入性捕獲，近期，小汗腺汗液作為遠程監(jiān)測健康、營養(yǎng)和水合相關(guān)生物標志物的生物靶點而倍受關(guān)注。

目前，汗液傳感可穿戴平臺正在探索之中，包括比色傳感器（例如氯化物、pH值和葡萄糖）和電化學(xué)傳感器（例如皮質(zhì)醇、乙醇和乳酸）。這些可穿戴傳感平臺需要搭載電子元器件以支持信號處理、存儲和電源，以及用于實時和持續(xù)評估汗液成分的汗液采樣方法。此類可穿戴傳感平臺可實現(xiàn)無創(chuàng)和遠程汗液感測。

Gx Sweat Patch（汗液貼片）

Gx汗液貼片是百事公司（PepsiCo）和Epicore合作商業(yè)化的一種柔軟、可穿戴的微流控產(chǎn)品（圖1a）。該產(chǎn)品作為一次性使用的生物傳感器，可測量人體局部出汗量、出汗率和氯化物濃度。集成的比色染料和對氯離子敏感的化學(xué)測定為用戶提供分析結(jié)果和視覺反饋。Gx汗液貼片可貼附于人體前臂內(nèi)側(cè)區(qū)域的皮膚上，在體育鍛煉前貼上。

運動時，汗液通過連接微流道的兩個入口進入該貼片。定制的智能手機應(yīng)用程序（APP）上的實時圖像處理算法分析色度信號。該應(yīng)用程序還包括根據(jù)前臂區(qū)域汗液數(shù)據(jù)預(yù)測全身出汗率和氯化物濃度的算法，從而針對用戶的出汗情況，反饋相關(guān)信息，以實現(xiàn)個性化補水策略。

圖1：Gx汗液貼片及軟件應(yīng)用

基準測試

為了建立一套可行的性能和可用性規(guī)范，研究人員首先測試評估了可穿戴汗液傳感技術(shù)以及基于吸水墊和臺式實驗室分析儀的傳統(tǒng)汗液分析技術(shù)的最新研究進展。盡管傳統(tǒng)的汗液分析技術(shù)昂貴、費力且不適合遠程使用，但標準的汗液測試方法（包括基于吸水墊的粘合劑貼片、臺式汗液采集和生化分析）是定義和驗證新型可穿戴汗液傳感技術(shù)的有力基準。該對照組使用吸水墊的汗液分析研究，能夠定義目標規(guī)格和傳感器動態(tài)范圍，以確定運動員群體的出汗率和氯化鈉數(shù)據(jù)。

貼片設(shè)計

Gx汗液貼片的設(shè)計和工作模式為實時分析提供了一條路徑，其成本僅為基于實驗室的汗液分析的一小部分。為了實現(xiàn)實時分析，該貼片利用了穩(wěn)健的比色分析和化學(xué)試劑，能夠適應(yīng)各種極端溫度、濕度和貨架儲存條件（?20?℃至65?℃）。此外，Gx汗液貼片通過智能手機進行信號處理操作，不需要在貼片上集成復(fù)雜的電子元器件。該架構(gòu)突出了智能手機在實時比色分析方面的實用性，同時鞏固了微流控貼片和化學(xué)分析的價值，以支持遠程環(huán)境部署。

為了測試Gx汗液貼片的可行性，該貼片的第一個原型采用聚二甲基硅氧烷（PDMS），使用現(xiàn)有的軟光刻方法開發(fā)。盡管PDMS可靠，并且普遍用于快速成型，但從成本、均勻性和耐用性的角度來看，其不適合在一次性使用的工作模式下大規(guī)模制造可穿戴汗液傳感貼片。在可行性開發(fā)階段，微流控設(shè)計、軟件圖像處理特性和汗液分析策略成為多項實用專利和商標申請的基礎(chǔ)，研究人員詳細說明了該可穿戴汗液傳感系統(tǒng)的工程原理和閉環(huán)特性。

性能測試和驗證

為了在臨床試驗之前測試Gx汗液貼片和圖像分析性能，研究人員使用定制設(shè)計的注射泵裝置進行了臺式實驗，以系統(tǒng)地通過貼片輸送人體汗液樣本（圖1c和1d），并測量流體流量和比色信號。除了驗證之外，這些臺式測試還可以在生產(chǎn)過程中對Gx汗液貼片進行表征，以確保高質(zhì)量的批量制造。

商業(yè)發(fā)布

這款新型可穿戴微流控貼片的商業(yè)發(fā)布，是多年生化傳感器開發(fā)、臨床研究、運動員水合需求市場分析以及協(xié)調(diào)營銷和推廣活動的結(jié)晶。與更多傳統(tǒng)的生物傳感器（即電極、加速度計和光學(xué)傳感器）不同，Gx汗液貼片針對與水分相關(guān)的生物標志物，構(gòu)成了一個新的可穿戴平臺。一個專注于技術(shù)和制造規(guī)模擴大的小型實體與一個專注于臨床驗證和市場準入的大型實體之間的合作，創(chuàng)造了一種新產(chǎn)品商業(yè)發(fā)布所需要的快速創(chuàng)新工具。這一戰(zhàn)略合作關(guān)系或商業(yè)化藍圖非常適合快節(jié)奏的產(chǎn)品開發(fā)，在雙方應(yīng)對技術(shù)風(fēng)險，并通過全球現(xiàn)有和新的分銷渠道拓展市場的過程中，實現(xiàn)了科技創(chuàng)新及應(yīng)用。

主要挑戰(zhàn)

眾所周知，在偏遠環(huán)境中部署生物醫(yī)療相關(guān)技術(shù)，即便對于成熟的傳感裝置（如心率傳感器和基于加速度計的可穿戴設(shè)備）來說也是一種挑戰(zhàn)。對于如Gx汗液貼片的新型生物傳感系統(tǒng)來說，挑戰(zhàn)更加明顯，該系統(tǒng)可以捕捉和分析汗液，并支持實時圖像處理。

要實現(xiàn)對出汗率和氯化物濃度的可靠和準確測量，需要基于機器學(xué)習(xí)（ML）的貼片檢測方案、帶有顏色參考標記的圖形層，以及在不同環(huán)境和照明條件下，利用各種型號的智能手機進行的廣泛測試。這些實地研究揭示了圖像捕獲分析中的重要異常值，包括不受控制的照明條件（如眩光）和圖像扭曲效果（如手臂彎曲效應(yīng)），這些均可能發(fā)生在真實場景中。

在臺架測試和早期現(xiàn)場測試的背景下，這些在非受控環(huán)境中的代表性觀察結(jié)果往往被忽視，但在建立完全驗證的可穿戴傳感產(chǎn)品方面至關(guān)重要。未來的工作應(yīng)側(cè)重于通過整合其它檢測目標（如乳酸、皮質(zhì)醇、尿素和葡萄糖）和電化學(xué)傳感器，進一步推進微流控設(shè)計和驗證工作，從而解鎖與營養(yǎng)和健康相關(guān)的新應(yīng)用。

審核編輯：劉清