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体育中可穿戴式体表微流控系统的运用

来源:原创论文网 添加时间:2021-03-25

  摘    要: 可穿戴式体表微流控系统在体育领域有着巨大的应用潜能,利用可穿戴式体表微流控系统对运动员的生理状态进行监测,可以解决运动监测中存在的送检周期长、难以连续监测、依赖于实验室平台以及运动员抵触等难题,并借助技术融合推动体育领域的发展。近年来微流控芯片和微针递送等关键技术的发展为运动中生理状态的实时监测乃至即刻干预提供了理想的解决方案。本文总结了可穿戴式体表微流控系统的最新研究进展,并重点介绍了8个可能应用于体育领域的可穿戴式体表微流控系统,并对其在体育中的应用前景进行了分析。最后对可穿戴式体表微流控系统可能取得突破性进展的应用方向进行了阐述,对未来可穿戴运动装备的研发方向进行了展望。旨在聚焦体育领域发展中的技术难题,提供多学科交叉的解决方案,倡导技术融合,为体育领域的发展提供科技助力。

  关键词: 可穿戴技术; 微流控; 微针; 生化分析; 运动监控;

  Abstract: Wearable skin-interfaced microfluidic systems have great potential for diverse applications in sports.These platforms that provide fast,comprehensive,quantitative,non-invasive,and real-time in situ monitoring capacities would directly address an urgent need for sports practitioners to continuously obtain high-quality data from athletes.Recent interdisciplinary advances in microfluidics and microneedles for quantitative measurements and drug delivery establish the foundations for emerging classes of soft,skin-interfaced microfluidic systems capable of real-time physiological monitoring even instant feedback therapy.In this review,we provide an overview of recent advances in wearable skin-interfaced microfluidic systems with an emphasis on eight microfluidic systems that are potentially applicable for fast,accurate athletic performance and health condition monitoring.With an in-depth understanding of the state-of-the-art for wearable microfluidic technologies,future perspectives for breakthroughs of wearable skin-interfaced microfluidic systems in sports are finally presented.The opportunity and future development associated with creating the next generation of innovative wearable devices are also prospected.

  Keyword: wearable technology; microfluidics; microneedles; biochemical analysis; sports monitoring;

  利用可穿戴装备进行运动表现和生理状态监测对运动员的科学训练和比赛成绩的提高有很好的促进作用。可穿戴装备是指可以直接穿戴或贴附在身体上的一种监测设备。传统可穿戴装备一般多用于物理指标如心率、步数的监测,智能手环、电子计时背心就是典型的可穿戴装备。随着可穿戴设备的逐渐发展,一些生理生化指标的监测也逐渐向可穿戴式发展。如今,新一代的可穿戴设备被用于无创监测人体汗液中的无机盐、代谢物、p H值等指标,并依此分析出运动员的运动能量消耗、运动疲劳程度以及运动营养补剂需求等重要信息。利用可穿戴装备对运动员进行运动学[1]、生理[2]和生化[3]指标的监测已成为评价其运动表现和运动机能最为常用的方法,但现有的设备穿戴位置有限[4],同时常因体积[2]、形状[5]、重量[6]和有线数据传输[1,2]而限制运动员身体活动[6],甚至使得有些测试只能在实验室中进行[7]。这给运动员运动表现测试、运动损伤和运动康复进程的评估带来了诸多不便。
 

体育中可穿戴式体表微流控系统的运用
 

  近些年逐步发展起来的可穿戴装备结合微流控芯片技术[7,8,9,10,11],实现了身体指标的快速、微创或无创监测,例如汗液分析微流控系统就可以无创地对汗液中葡萄糖[12]、乳酸[7,11,12]、钠离子[11,13]、钾离子[11]、氯化物[7,12,13,14]、肌酸酐[10]、尿素[10]浓度和汗液p H值[7,12]、总汗液量以及出汗率[7,12,13]等指标进行监测,在不采集血样的情况下进行生理生化分析,方便了体育从业人员获得高质量的数据,同时方便其及时对运动员的运动方案进行调整,促进了科学训练的实施。此外,近些年微针递送[15,16,17,18]的发展使得我们在不久的将来即可实现运动中生理状态的实时干预[16],即通过微流控、微传感器或固态微针对运动员汗液或组织间液的各物质浓度进行监测,同时通过闭环反馈机制,利用可溶解微针或者空心微针经皮注入所需要的营养物质或治疗药物。这一全新的运动医学体系的发展将会在体育领域引发新一轮的技术革命,并借助技术融合促进体育运动领域的发展。

  可穿戴式体表微流控系统的发展解决了传统运动监测中的多个难题:1)送检周期长:传统的运动监测大多采用取样后送到实验室进行分析的方法,中间存在很长的时间间隔,容易造成数据的不精准性,例如汗液在送检过程中水分蒸发造成其内电解质浓度上升,而可穿戴式体表微流控系统可以在体表就完成监测[7,10,11,12,13,14],并能通过无线的方式进行数据传输[7,13],从而实现数据的实时监测。2)难以连续监测:运动中人体各项生理生化指标常处于快速变化之中,但传统的血样分析得到的是点状离散的数据,通常数据点的时间间隔也很长,故难以实时反应出运动员真实的状态变化。而可穿戴体表微流控系统可以实现连续监控,例如利用微流控芯片[12]对汗液中的乳酸和葡萄糖浓度进行实时监测。3)依赖实验室平台:传统的分析方法集中于实验室中[7],而且通常需要昂贵的设备和专业的人员进行操作,利用体表微流控系统,不仅可以进行原位数据采集,还可以直接将测试结果显示在手机上[7,12],既避免了对实验室的依赖,也不需要使用者掌握专业的技能。4)运动员抵触:传统的测试方法常有不舒适、创伤感和限制身体活动等问题,例如乳酸阈测试[19]需要通过指尖取血的方式检测。利用可穿戴式体表微流控设备[7,11,12]可以通过无创、舒适、不限制身体活动的方式分析汗液,并通过其结果与血液中乳酸浓度的对应关系[12]实现所需的生理状态监测与分析。

  基于上述优点,有许多研究工作[6,7,8,9,10,11]将可穿戴式体表微流控系统的巨大潜能展现在人们面前(图1),我们仍然看到,多数微型系统还停留在小规模测试阶段,面向商业推广还有诸多亟待解决的问题,例如,某些微流控系统制造成本高[7]、不可反复使用[7,10,20],再例如需要采集大量一手数据、规范测评标准和建立云端数据库等。本文总结了近些年体表微流控系统领域最新的研究进展,重点介绍了8个已应用或将来可能应用于体育领域的可穿戴式体表微系统,根据其主要技术类别进行了分类,涵盖了微流控系统[10,11,20]、混合微系统[12]以及微针递送[15,16,17,18]最前沿的研究成果。最后对微流控系统在运动领域最有可能取得突破性进展的方向进行了阐述,对微流控系统在运动监控中的应用前景和可能遇到的困难进行了分析,同时对未来可穿戴运动装备的研究方向进行了展望。

  图1 近几年关于可穿戴式体表微流控系统的高水平研究(发表于芯片实验,先进医疗材料和科学-转化医学杂志)[6-11]
图1 近几年关于可穿戴式体表微流控系统的高水平研究(发表于芯片实验,先进医疗材料和科学-转化医学杂志)[6-11]

  Figure 1 Recent Featured Research on Wearable Skin-interfaced Microfluidic Systems[6-11]

  1 、可穿戴式微流控系统

  可穿戴式体表微流控系统在体育中的应用主要集中于汗液分析上[21]。汗液是皮肤分泌的一种含有丰富的电解质[22]、小分子[23]和蛋白质[7]的体液,不仅来源广泛,方便收集与分析,还能反映出体液中各成分的水平。体表的汗液定量分析在生理状态的监测(例如水合状态[7])和疾病的诊断(例如膀胱纤维化[7,14,24,25])中有着广泛的应用。基于微流控的汗液分析,主要利用汗腺产生的压力[11]推动汗液进入微流控芯片上一系列预先设计好的微管道与微腔室内,随后通过一些显色反应[7,10,12,14,26]和图像分析[7,26]对汗液中各物质浓度进行测量。

  在体育领域,汗液分析可应用于监测运动员的生理状态[21]。在训练过程中,对汗液中乳酸浓度进行测定,可以为评估运动员的训练强度提供依据[27],从而制定更加科学的训练计划。此外,对汗液中葡萄糖浓度进行测定,有利于我们精准判断运动员的能量消耗[28],这也对指导训练后的营养补充有极大意义。测量和分析总汗液量可以用于评估运动员的生理状态,如水合状态[7]和热调节状态[7],这有望为运动中个体化精确补水策略的制定提供数据支持。因此,通过汗液分析可以优化运动训练,最终提升运动员的运动表现。

  为了在运动中采集和分析汗液,Choi等[11]研发了一款可依时间次序采集体表汗液的微流控系统(图2A.a),汗液首先从芯片中央的汗液入口进入微管道,其次顺着一条连接有12个汗液储液池的蛇形通道,并在一系列阀门结构控制下按照时间次序注入12个汗液储液池(图2A.b)。芯片采用圆形设计是为了能够通过离心的方式提取汗液储液池中收集的汗液(图2A.c)。Choi等[11]利用该系统完成了基于时间次序的汗液采集和汗液中乳酸、钠离子和钾离子的浓度测定。其测试结果可用于评估运动员的运动强度和电解质平衡。此外,Reeder等[20]研发了一款可用于水中运动监测的微流控系统(图2B.a),该系统能在浸水环境中收集人体汗液进行生化分析,同时也可以测量体表温度。图2B.a中的线框插图展示了它的汗液入口和出口设计:汗液出口极小,避免在使用过程中进水,保证了测试结果的精准性;染料或反应物储存在邻近于汗液入口的腔室内,腔室内存放有不同溶解速率的红、蓝染料,由于蓝色染料溶解迅速而红色染料溶解缓慢,在收集汗液的过程中,微管道内能形成清晰可见的颜色梯度,巧妙地将总汗液量可视化(图2B.b),通过观察汗液充满的单元数即可量化总汗液损失量(每个回形针状单元体积为1.5μL)。同样地,若将染料换成氯苯胺银(silver chloranilate)悬浮液,则在微管道内会发生相应的显色反应,将每一个单元的汗液颜色与芯片中央扇形的标准比色卡对比,即可得出该单元内汗液中氯化物的浓度(图2B.c)。这一微流控系统扩展了传统可穿戴装备的适用范围,开辟了水中或水上项目运动生理状态监测与分析的先河。

  可穿戴式体表微流控系统不仅可用于汗液中氯化物浓度的测定,还可以将多个显色反应集成于一张芯片上,实现多个指标同时测定。Zhang等[10]研发了一款集防水汗液收集和显色反应于一体的体表微流控系统(图2C.a),该系统包含有一条蛇形通道用于对总汗液量和出汗率进行定量分析,还通过微管道和前述的微阀门[11]将汗液按时间次序导入3个连续的腔室(p H值、肌酸酐和尿素浓度测定腔室各有3个,共9个)。得益于该设备优良的防水功能,其不仅可以用于运动人群,还可以用于无法进行剧烈运动的婴幼儿、老年人或疾病人群。研究人员将其贴附于受测者体表,并让其进行一个5~15 min的热水浴(温度:38~42℃),随后通过手机图像分析即可得出结果:其采用Reeder等[11]研究中使用的进出口模式,蓝色染料溶解于汗液将总汗液量可视化;并使用Koh等[7]研究中使用的基于试纸的酶反应、化学反应显色的方法,通过图像分析对比微流控芯片上的标准比色卡,量化了受试者汗液的肌酸酐、尿素浓度和p H值(图5C.b)。该研究的意义:首先,扩展了体表汗液分析微流控系统的适用人群范围;其次,该系统的汗液分析结果可用于评估使用者的肾脏功能(当肾脏功能异常时,尤其是肾小球滤过功能异常时,血液和汗液中的肌酸酐、尿素浓度会升高,同时p H值也会受到影响)。

  图2 可穿戴式体表微流控系统:(A)a.按时间顺序采集汗液的微流控系统;(A)b.汗液在汗腺自然推力作用下进入微流控系统,并在微管道和微阀门的控制下按照时间次序注入12个微储液池;(A)c.圆形的构造方便使用离心法从汗液储液池中取出收集的汗液;(B)a.可在水环境中进行汗液分析的体表微流控系统实物图(线框插图:进出口模式)[11];(B)b.利用红、蓝染料溶解速率差异将总汗液量可视化;(B)c.游泳运动员使用该微流控系统进行氯化物浓度测定,以及该芯片实物图[20];(C)a.通过显色反应进行生化分析的体表微流控系统实物图;(C)b.利用酶、化学反应显色及比色的方法得出汗液中肌酸酐、尿素浓度和pH值[10]
图2 可穿戴式体表微流控系统:(A)a.按时间顺序采集汗液的微流控系统;(A)b.汗液在汗腺自然推力作用下进入微流控系统,并在微管道和微阀门的控制下按照时间次序注入12个微储液池;(A)c.圆形的构造方便使用离心法从汗液储液池中取出收集的汗液;(B)a.可在水环境中进行汗液分析的体表微流控系统实物图(线框插图:进出口模式)[11];(B)b.利用红、蓝染料溶解速率差异将总汗液量可视化;(B)c.游泳运动员使用该微流控系统进行氯化物浓度测定,以及该芯片实物图[20];(C)a.通过显色反应进行生化分析的体表微流控系统实物图;(C)b.利用酶、化学反应显色及比色的方法得出汗液中肌酸酐、尿素浓度和pH值[10]

  Figure 2 Wearable Skin-interfaced Microfluidic Systems:(A)a.Skin-mounted microfluidic system for chrono-sampling of sweat;(A)b.Pressure naturally-induced by the sweat glands drives sweat through a microchannel to chrono-filling 12 microreservoirs under micro-valves’control;(A)c.The circular construction is beneficial to use centrifugation for extraction of sampled sweat[11];(B)a.Waterproof skin-interfaced microfluidic system for sweat analysis in aquatic settings(inset:microfluidic inlet and outlet ports);(B)b.A dye composed of blue and red water-soluble particles that dissolve at different rates results in a volume-dependent color gradient to visualize total sweat loss as the device fills with sweat;(B)c.A swimmer wearing a skin-interfaced microfluidic system that quantifies local sweat chloride concentration(inset:optical image of the waterproof microfluidic system)[20];(C)a.Skin-interfaced microfluidic system for colorimetric analysis of biomarkers in sweat;(C)b.A paper-based enzymatic or chemical assay for colorimetric analysis of creatinine and urea concentrations,and pH[10]

  2 、可穿戴式混合微系统

  近年来有学者提出了混合系统的概念,其指的是将微流控和微传感器2个量化分析系统相结合并发挥各自的优势。Bandodkar等[12]研发了一款可同时对汗液进行电化学、显色反应以及体积定量分析的混合微系统。该系统包含1个一次性的微流控亚系统(图3A.a)和1个NFC(近场通讯)亚系统(图3A.b)。在微流控亚系统中,1条环形管道配合可溶性蓝色染料实现了对总汗液量和出汗率的可视化和量化,2条连接有6个显色反应腔室的管道结合微阀门将汗液按时间顺序导入反应腔室(腔室旁贴有标准比色卡),实现了对p H值和氯化物浓度的显色反应量化分析,2个稍大的汗液入口用于嵌入微传感器,实现对葡萄糖和乳酸浓度的实时监测。NFC亚系统通过磁力与微流控亚系统紧密结合,既提供了足够的吸引力使得其在剧烈的运动中不会脱落,又使其方便取下,以供下次使用,节约测试成本。图3A.c展示了该系统进行汗液分析的过程,其显色反应的结果可通过手机图像分析得出,其电化学分析的电力供应和数据传输通过NFC亚系统连接外部设备完成(图3A.d)。实验人员还对微传感器分析得出的汗液中葡萄糖浓度、乳酸浓度电压变化趋势(图中黑色折线表示)和血检得出的血液中葡萄糖浓度、乳酸浓度变化趋势(图中红色折线表示)进行了对比(图3B),发现其数据多数情况下比较接近,该结果与之前的研究[16,25,28,29]相吻合,展现了汗液分析得出半定量数据的可行性和其在无创运动监测与分析中的应用前景。

  综上所述,可穿戴式体表微流控系统为汗液分析提供了一个精准量化、实时监测的平台,同时能够通过技术积累,与微传感器等技术结合实现有针对性的生理生化分析。这不仅可用于体育运动中传统的运动员能量补给方案的制定,还可以促进运动技术分析手段的革新,同时也对疾病人群的实时生理状态监测乃至运动康复计划制定与实施提供科技助力,这些应用使得微流控技术在运动领域展现出了广阔的发展空间和巨大的市场潜力。

  3、 可穿戴式微针系统

  传统的药物递送方式以皮下注射[30]和静脉注射[31]为主,与此同时血检也已成为身体状况检测[32]、疾病诊断[33],乃至运动员运动机能监测[19]的常用手段。目前,抽血等有创检测方法不仅需要专业的人员操作[30],而且运动员存在疼痛、不适或针具恐惧[30,31,34]。因此,实现高效的药物递送或无痛体液采集已经成为了当前研究的热点。可穿戴式微针芯片的研发给运动补给、疾病人群运动监测和运动损伤治疗等提供了新的解决方案,即通过可穿戴式微流控芯片结合微针阵列或微传感器进行精准、高效、安全的生理状态监测和药物递送[30,36]。图4A展示了微针递送原理:微针的长度一般小于1 mm,其针头精准地穿过了表皮层而不触及真皮层基底的血管和神经,故可无痛、微创地将外源物质通过被动扩散等方式导入真皮层[31]。图4A还展示了4种典型的微针[30]:1)固态微针,可用于穿透皮肤角质层并形成微孔通道从而增加皮肤的通透性,以便后续的经皮药物递送。2)涂层微针,当贴附于体表后,微针表面带有的药物涂层可快速溶解进入组织间液。3)可溶解微针,针头内通常包囊有药物,并能完全溶解于皮肤组织间液内,可用作药物缓释[17]。4)空心微针,微针中心的管道可用作于向真皮层连续注入外源物质,该种微针通常通过压力来控制单位时间内的注入剂量,能自如地实现快速或缓慢的药物递送。以上这些微针系统已在生物医学等领域有着广泛的应用,例如药物递送[30]、组织间液抽取[31,37]、疾病诊断与治疗[16]、医疗美容[39]等。下面针对有望在体育运动领域得到应用的微针技术进行综述。

  图3 微流控与微传感器结合的混合微系统以及实验验证汗液中物质浓度与血液中物质浓度的关系:(A)a.微流控亚系统(其埋附有微传感器的阴阳极);(A)b.NFC亚系统;(A)c.混合微系统正在进行汗液的电化学分析、显色反应分析和体积定量分析;(A)d.混合微系统的电力供应和数据传输通过NFC亚系统连接外部设备完成;(B)微传感器分析得出的汗液中葡萄糖浓度、乳酸浓度电压数据(图中黑色折线表示)和血检得出的葡萄糖浓度、乳酸浓度数据(图中红色折线表示)的关系图[12]
图3 微流控与微传感器结合的混合微系统以及实验验证汗液中物质浓度与血液中物质浓度的关系:(A)a.微流控亚系统(其埋附有微传感器的阴阳极);(A)b.NFC亚系统;(A)c.混合微系统正在进行汗液的电化学分析、显色反应分析和体积定量分析;(A)d.混合微系统的电力供应和数据传输通过NFC亚系统连接外部设备完成;(B)微传感器分析得出的汗液中葡萄糖浓度、乳酸浓度电压数据(图中黑色折线表示)和血检得出的葡萄糖浓度、乳酸浓度数据(图中红色折线表示)的关系图[12]

  Figure 3 Hybrid microsystem integrating microfluidics and microsensors;Human trials that compare concentrations of glu-cose and lactate in sweat and blood:(A)a.Microfluidic subsystem with embedded sensors’anodes and cathodes;(A)b.NFC(Near-field communication)subsystem;(A)c.Hybrid microsystem for electrochemical,colorimetric and volumetric analysis during sweating;(A)d.Wireless power supply and data transmission via external devices(B)Correlation of data acquired from glucose and lactate sweat sensors(black line)with that acquired from blood glucose and lactate meters(red line),re-spectively[12]

  Gowers等[15]开发了一款基于微针阵列的传感器用于抗生素浓度的监测(图4B)。图4C展示了其微针阵列表面各涂层的截面图、芯片实物图以及微针阵列局部电子扫描显微镜图像。其工作原理如下:抗生素β-lactam被镀于电极表面的β-lactam酶水解后会产生组织间液p H值的变化,研究人员由此建立了抗生素浓度与p H值的相关关系,而p H值又与传感器电路中的电势成线性相关。也就是说,研究人员通过微针阵列与电化学传感器结合建立组织间液物质浓度与电信号之间的相关关系,从而通过电信号实时监测组织间液物质浓度变化,进而适时地递送药物,降低药物的副作用。

  图4 微针芯片的工作原理及应用:(A)常见的微针递送原理及四种典型的微针类型[30-31];(B)基于微针阵列的传感器用于抗生素浓度的监测;(C)微针表面涂层截面图、芯片实物图和微针阵列局部电子扫描显微镜图像[15];(D)基于石墨烯的电化学温度响应微针阵列芯片概念图;(E)热响应微针芯片在形变条件下工作、汗液分析电化学传感器贴附于人体体表以及微针阵列贴附于的糖尿病小鼠腹部;(F)微针阵列芯片实物图及热响应可溶解微针局部放大图[16]

图4 微针芯片的工作原理及应用:(A)常见的微针递送原理及四种典型的微针类型[30-31];(B)基于微针阵列的传感器用于抗生素浓度的监测;(C)微针表面涂层截面图、芯片实物图和微针阵列局部电子扫描显微镜图像[15];(D)基于石墨烯的电化学温度响应微针阵列芯片概念图;(E)热响应微针芯片在形变条件下工作、汗液分析电化学传感器贴附于人体体表以及微针阵列贴附于的糖尿病小鼠腹部;(F)微针阵列芯片实物图及热响应可溶解微针局部放大图[16]

  Figure 4 Working Principle and Application of Microneedles:(A)Common working principle of microneedles for drug deliv-ery and four types of microneedles[30-31];(B)Microneedle-based sensor for continuous monitoring antibiotic concentrations;(C)Schematic cross-section of working electrode showing each layer,optical image of the microneedles patch,and the SEM(Scanned electronic microscopy)image of the microneedle array[15];(D)Schematic diagram of the graphene-based electro-chemical system with thermo-responsive microneedles;(E)The skin-interfaced system with thermo-responsive microneedles under mechanical deformations,electrochemical sensor array on the human skin with perspiration and therapeutic microneedlearray laminated on the skin near the abdomen of the diabetic mouse;(F)The image of the chip with thermo-responsive microneedles(inset:bioresorbable microneedle array)[16]

  2016年,Lee等[16]将汗液分析、微传感器与可溶解微针统一在一个基于石墨烯的电化学微系统之中(图4D),同时实现了基于汗液的糖尿病监测与基于反馈的精确药物递送。图4E展示了其抵抗运动过程中形变的能力与汗液分析模块:该微传感器与一个可移动式电化学分析仪连接,该分析仪为微传感器供电,同时通过蓝牙将数据传输给智能手机,并验证了该系统可以高效地将降糖药二甲双胍递送进入小鼠体内,并快速降低小鼠的血糖值。图4F为芯片的实物图,该微针在超过41~42℃时溶解,体外实验证明该微针能仅在超过热响应温度点时释放药物,很好的实现了药物的精准可控释放。

  可溶解微针不仅可用于基于热响应的精确药物递送,还可以用于药物的缓慢释放,以达到长期治疗的效果。Li等[17]研发了一款缓释型泡腾微针芯片,利用泡腾基底包囊柠檬酸和碳酸氢钠(图5A),当微针刺入皮肤后,泡腾中的聚乙烯吡咯烷酮(PVP)快速溶解于组织间液,同时碳酸氢钠、柠檬酸与组织间液发生反应产生二氧化碳,造成泡腾基底断裂,实现了微针针头与芯片基底的快速分离(分离效率高达96%±4%)。如图5B所示,包囊有紫红色荧光染料的微针刺入猪皮后将微针针头留在猪皮内用于药物缓释。该研究同时测试了载有避孕药(LNG)的泡腾微针芯片的缓释过程。结果表明,仅贴附于小鼠体表1 min的泡腾微针芯片,却能够将微针针头留于小鼠皮肤内并缓慢释放药物长达2个月之久,使得LNG在其组织间液中的浓度高于人类治疗水平浓度长达1个月以上,并且没有出现红斑、水肿或其他皮肤激惹现象,组织学分析也证实了其良好的生物相容性。

  相比于将药物留在体内进行缓慢释放,Di等[18]研发了一款贴附于关节处的拉伸诱导药物递送微针芯片,将药物储存在芯片上的微凝胶仓内,并在需要时释放、递送进皮肤内。图5C展示了其药物储存和释放的原理:利用微凝胶药物仓装载多聚物纳米药物颗粒,并将其结合在可拉伸的弹性元膜上,当关节运动导致弹性元膜形变后,微凝胶药物仓会将纳米药物颗粒释放到微凝胶基质中,后由该芯片上的微针阵列将纳米药物注入关节表面的皮肤内(图5D)。该微针系统有望应用于长距离项目,比如马拉松,在运动过程中利用关节运动造成的牵拉就能将抗炎药物[18]递送进入关节体表的组织间液中,能缓解长距离项目运动员的关节炎症。

  综上所述,可穿戴式微针系统能够无痛、微创、精准地完成经皮药物递送,同时还能够结合微流控及微传感器技术达到个体化的闭环反馈治疗,这使其在运动与健康领域有着广阔的前景:不仅能够实现对运动员运动表现的监测、运动损伤的治疗和运动中的营养补充,还有益于体育领域教练员、科研人员便捷地进行疾病人群(例如高血压、糖尿病、动脉硬化患者)的运动干预,极大地促进了科学训练和体医融合,从而为健康中国2030提供技术支持。

  4、 结论与展望

  可穿戴式体表微流控系统结合生理生化分析原理,以其原位、实时、无创性等特点,可以连续采集和分析人体各项指标,监控运动人群的健康状况。加上5G的推广以及大数据处理能力的广泛建立,新一代由云端数据库支持的微流控系统有望实现基于大数据的精准量化分析。

  随着运动员运动机能监测、科学训练和疾病人群运动干预等需求的不断增长,未来可穿戴式体表微流控系统在体育中的应用有望在以下几个方面取得突破性进展。1)汗液分析:可穿戴式微流控芯片能够对汗液中葡萄糖、乳酸、钠离子和钾离子等的浓度进行精准测量,可用于判断运动员的训练强度、运动能量消耗、水合状态和热调节状态等。体表微流控芯片与手机进行数据交互,实时显示运动的强度等信息,并在运动结束后给出科学的营养补充建议。此外,借助汗液中物质浓度和血液中物质浓度的对应关系,我们还可以建立汗液分析结果和临床已有血液分析数据的联系,通过汗液分析就可得出曾经需要通过血液分析的结果,进而通过汗液分析微流控芯片逐步取代血样检测,并实现真正的无创运动监测与分析。2)疾病人群的运动干预:可穿戴式微流控系统也能够实现对疾病人群生理指标的实时监测,同时结合微针芯片可以实现药物递送,未来有望开发出针对于高血压、糖尿病、低血糖症等人群的微流控芯片,使其能够更加科学、安全的进行运动;同时能够预测运动源性的昏迷、摔倒等,为健康中国助力。3)微创精准的药物递送:微传感器与可溶解微针相结合可以对汗液和组织间液中物质浓度进行监测,从而个体化地进行精准、无痛、便携的药物递送。研发此类微针芯片,我们可以递送多种多样的药物,不仅仅局限于糖尿病药物和抗炎药物。未来研发出的新型微针芯片有望解决传统药物递送过程中针具恐惧、反复注射、注射产生不良反应等问题。此外,该类微流控、微针产品体积较小,便于储存、运输、分发,降低流通成本。运动员或用户仅需运动前放入口袋、背包中,需要使用时贴附于体表即可,给用户提供了极大的方便,使其便于推广与使用。

  图5 两款缓释型微针芯片工作原理示意图:(A)微针阵列泡腾基底快速溶解并实现微针迅速有效分离的原理;(B)包囊有紫红色荧光染料的针头与泡腾基底分离前后对比图,以及针头分离后留在猪皮内的图像和其组织切片的显微镜图像(明场)[17];(C)拉伸诱导的药物递送微针芯片储存和释放纳米药物颗粒的工作原理;(D)拉伸诱导的药物递送微针芯片在关节运动时刺入皮肤并完成药物递送[18]
图5 两款缓释型微针芯片工作原理示意图:(A)微针阵列泡腾基底快速溶解并实现微针迅速有效分离的原理;(B)包囊有紫红色荧光染料的针头与泡腾基底分离前后对比图,以及针头分离后留在猪皮内的图像和其组织切片的显微镜图像(明场)[17];(C)拉伸诱导的药物递送微针芯片储存和释放纳米药物颗粒的工作原理;(D)拉伸诱导的药物递送微针芯片在关节运动时刺入皮肤并完成药物递送[18]

  Figure 5 Two Long-acting Microneedle Patches and Their Working Principle:(A)Schematic drawings of the process of mi-croneedle patch application to skin to rapidly deliver microneedle tips into the skin by fast dissolution of the effervescent back-ing;(B)Images of an effervescent microneedle patch with microneedle tips containing red fluorescent dye(Nile red)and pho-tos took after microneedle tips separated from the effervescent patches;representative bright-field microscopy images of por-cine skin after microneedle patch insertion and microneedle tip detachment in porcine skin and corresponding image of a histo-logical section of porcine skin(bright-field)[17];(C)Stretch-triggered drug delivery microneedle patch and its working princi-

  ple of drug storage and release;(D)Stretching of the patch induced by joint movements promotes the drug release and diffuse into the microneedle for transcutaneous drug delivery[18]

  与此同时,微流控技术在体育中应用还有一些制约因素和困难,例如:1)在微流控芯片上完成一系列复杂的流体操控和生化反应,需要有专业的设计人员和芯片加工设备。2)微流控芯片在体育运动领域还处在小规模应用测试阶段,还在逐步实现工业化和商业化;此外,大众和体育科研人员对这项新技术还没有足够的认知与了解,一些生理生化研究人员又缺乏与医学工程研究人员合作的机会。3)现阶段可穿戴式体表微流控系统性能越来越好,测试数据也越来越精确,但汗液分析还尚未建立金标准。

  综上所述,可穿戴式微流控系统在体育领域有广阔的应用空间,不管是运动机能监测、运动训练效果评估,还是干预药物递送等,都提供了全新的可能。未来可穿戴运动装备的研发,尤其是结合微流控技术,将会推出集多指标、无创或微创、实时数据分析、云端数据库支持、反馈式药物递送与高速无线数据传输功能于一体的可穿戴式体表微系统,为备战奥运和健康中国提供有力的科技支持。

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