聪明的纹身

人们早就知道体液是了解我们健康状况的窗口。例如，古希腊医生希波克拉底(Hippocrates)会把尿液倒在地上，看它是否吸引昆虫，如果吸引了昆虫，排尿者就会被诊断为疖子。到了19世纪，专门的实验室开始出现，这些实验室拥有越来越复杂的诊断技术，用于研究尿液和血液样本。这些实验室仍然是当今体液诊断的主要模式，但有一个主要缺点——速度快。样品必须采集，运到实验室，等待结果。

到20世纪中期，更快的替代方法开始被开发出来——体液诊断测试可以在病人床边进行，也可以由病人自己进行。尿试纸于20世纪50年代末上市，随后便携式血糖仪于1970年上市。这些血糖仪彻底改变了糖尿病的治疗，但需要经常刺破手指却让患者望而却步。

最重要的是以一种不引人注目的方式获得实时信息

Amay bandidkar，北卡罗莱纳州立大学，美国

2010年代中期推出的闪光血糖监测仪，通过让患者不再需要采集血液样本，再次改变了糖尿病治疗。雅培的Freestyle Libre Flash血糖监测系统是一种安装在上臂上的电化学传感器。这是一个直径35毫米的电子贴片，上面有一根微小的电线，可以穿透皮肤到达皮肤下面的组织液。钢丝承载固定的葡萄糖氧化酶，氧化间质液中的葡萄糖，这是一个生化事件，被转导成与血糖浓度成比例的电流。该设备只需要每两周更换一次，将智能手机放在贴片上就可以读取数据。

美国北卡罗莱纳州立大学(North Carolina State University)可穿戴传感器专家阿梅·班多卡(Amay bandidkar)说:“诊断的圣杯是能够以一种不引人注目的方式持续实时提供信息的设备(如闪光血糖监测仪)。”他补充说，它比其他任何方法都更方便用户使用，收集的数据也更多。

班多卡尔和其他人现在正在研究类似的装置，这种装置可以放在皮肤上或皮肤下，从体液中收集信息，从药物代谢物水平到水合状态，再到紫外线(UV)照射。

血液分析贴片

美国加州大学圣巴巴拉分校的Kevin Plaxco小组正在开发类似于flash葡萄糖传感器设计的传感器。其目的是使治疗药物监测(测量血液中的药物水平以允许剂量调整)像测量糖尿病患者的血糖水平一样方便。

“测量体内药物含量的医学原理是明确的。临床医生目前使用不可靠的、间接的代谢指标来确定药物剂量，”Plaxco解释说。“我们说的是把一个设备戴在人的手臂上，给他们吃药，然后实时测量他们特定的新陈代谢。”

Plaxco的传感器在外部有一个电子贴片，贴片连接到一根3毫米细的电线上，放在皮肤表面附近的静脉中。外部贴片是由合作者开发的，在外观和功能上都与闪光血糖监测仪非常相似。与此同时，Plaxco专注于传感分子。他解释说，这就是瓶颈。他说，电子设备相当成熟。

他的团队使用适配体(短的单链DNA分子)作为感应分子，而不是像葡萄糖系统那样使用酶。Plaxco说，这使得这项技术可以应用于更广泛的生物靶标，而不仅仅是那些具有合适酶的靶标。“理论上，利用适体，我们可以制造出针对任何水溶性目标的识别元素。“适体是经过设计的，只有在与目标结合时才会折叠。他说:“我们已经开发出一种监测折叠的电化学方法，然后报告目标的存在。”

折叠适体已经被设计的药物包括两种化疗药物和三种抗生素。对于抗生素万古霉素和卡那霉素，研究人员还在老鼠身上把传感器变成了一个闭环系统，在这个系统中，信息被输入到一个泵中，然后释放出所需的药物剂量。Plaxco表示，他正在与商业伙伴合作，将这些传感器开发成适合临床测试的原型，但目前还没有时间表。

别担心

汗液是另一种拥有信息宝库的体液。美国伊利诺斯州西北大学的约翰·罗杰斯解释说:“汗水之所以对我们有吸引力，是因为当它从皮肤表面的毛孔中流出时，你可以捕捉到它，而不会损坏或渗透。”

汗液传感器开始进入市场。例如，GX汗水贴片(Sweat Patch)可以检测人体的水分状态，将于今年晚些时候上市。这种一次性贴片是由分拆出来的Epicore Biosystems公司(由罗杰斯共同创立)与美国运动饮料品牌佳得乐合作生产的。

佳得乐贴片有一个与皮肤接触的入口，可以将汗液引导到微流体通道中。班多卡尔解释说:“汗腺是将汗液排出体外的泵。”这种贴片的设计是为了使汗滴被泵出时的自然压力足以引导液体进入通道。

贴片有两个通道:一个是用于测量出汗速率的蛇形通道，另一个是用于测量氯离子损失的直线通道。对于排汗率，该通道包含一个比色指示器，当与水螯合时，颜色会发生变化——距离入口发生颜色变化的路径有多远，这就提供了穿戴者排汗率的定量信息。第二个通道有一种指示剂，它与氯离子配合，产生独特的颜色。一款智能手机应用程序会分析颜色的变化，并告诉佩戴者哪种佳得乐饮料可以在运动期间优化他们的水分。罗杰斯说:“我认为(这款贴片)会受到那些有兴趣在竞争中获得一点优势的铁杆运动员的欢迎。”

打开电源

罗杰斯和他的合作者班多卡尔已经开发出了这种设备的改进版本，其中增加了一个电化学组件，可以比肉眼或智能手机相机更准确地分析颜色变化反应。班多卡解释说，这些更精确的测量方法开辟了健康监测以外的应用，比如重症患者监测。

纹身只是感应界面

Francesco Greco，格拉茨科技大学，奥地利

这种混合设备设计面临的一个重大挑战是，如何在不需要笨重电池的情况下，为将电化学数据传输到智能手机的过程提供动力。该团队从生物燃料电池中获得灵感，开发了一种自供电系统。班多卡解释说:“酶的反应会自发地产生与汗液中生物标志物浓度成正比的电压信号，这种信号很容易被捕获，并通过近场通信技术以无电池的方式无线传输到佩戴者的智能手机上——这与用于智能手机无线供电的无线技术是一样的。”

这些混合贴片有两层——下层是一次性微流体模块，上层是可重复使用的电子模块。这些贴片目前正在试验中，作为目前用于新生儿囊性纤维化诊断的汗液测试装置的轻量级替代品。囊性纤维化患者的汗液中氯化物含量高于正常人。

营养是关键

美国加州大学圣地亚哥分校(University of California, San Diego)的约瑟夫·王(Joseph Wang)和他的团队也在开发用于汗液监测的混合微流体和电化学贴片。这些设备——就像罗杰的一样——有一个一次性的微流体组件和一个可重复使用的、灵活的电子部分。但它们不使用变色反应，而是通过酶来监测葡萄糖和其他物质的氧化。它们还需要电池。

Wang还在制造一种可替代的一次性组件，将相关的酶固定在打印在可溶性淀粉/糊精纸上的传感器上。酶的氧化作用产生电流，其强度与血液中相关分析物的含量相关。

这些装置的可溶解纸与全世界孩子们喜爱的临时纹身所用的材料相同;它们通过贴在皮肤上和润湿来溶解淀粉/糊精成分并激活粘合剂。王解释说，与微流体传感器相比，临时纹身传感器更灵活，重量更轻，生产成本更低。到目前为止发明的原型包括用于检测酒精水平的酒精氧化酶和用于监测维生素C的抗坏血酸氧化酶。

这些传感器也有一个内置的工具来诱导出汗，因为不像微流体传感器，它们不是为运动时使用而设计的。该工具是两个石墨墨水(带有分散的铑颗粒)电极，阳极上有少量模拟汗水的药物匹罗卡品。当电子模块将小电流通过电极时，匹罗卡品就被输送到皮肤中。

维生素C传感器是与瑞士帝斯曼营养产品公司合作开发的。王说，其他的维生素可能也可以通过在同一设备中固定不同的酶来监测。“这是向个性化营养迈进的一步。目前还没有透露这些传感器上市的时间表。

沐浴阳光

位于美国旧金山的LogicInk是另一家开发临时纹身传感器的公司。除了透露传感器中使用的传感分子包括DNA纳米颗粒外，该公司对其传感器背后的科学守口如瓶。LogicInk的创始人卡洛斯·奥尔金解释说:“并不是我们正在研究的所有传感器都涉及DNA纳米技术，但总的来说，这是我们关注的一个大领域。”他的学术合作者包括亨德里克·迪茨，一位来自德国慕尼黑工业大学的DNA纳米技术专家。

2020年夏天，LogicInk soft推出了它的第一个纹身——一个监测累积紫外线暴露的紫外线传感器。纹身最初是深蓝色的，当佩戴者的日常接触量达到世界卫生组织为敏感皮肤设定的水平时，纹身就会变成亮粉色。这意味着它会在你的皮肤变红之前变红。

一款类似设计的空气污染(PM2.5)传感器已被制成原型，一款通过汗液提供信息的传感器正在研发中。奥尔金说:“传感器直接与你的皮肤连接，改变形状或颜色，提醒你身体的状况，比如水合水平，这是我们目前正在研究的。”

感觉电

临时纹身装置也可以用来收集身体的电生理信息。奥地利格拉茨科技大学的弗朗西斯科·格列科(Francesco Greco)小组率先采用了这种概念，生产超薄电极，将病人与电生理仪器连接起来。

该小组将导电聚合物电极喷墨打印到可溶解的纸上，作为目前通常使用的笨重电极的直接替代品。“纹身只是感应界面。数据的处理、采集和传输都是通过医院常用的硬件完成的。”

与现有的电极相比，这些电极的优点包括舒适和功能。“当你在皮肤上放置一个坚硬的金属电极时，实际接触面积很低。格列柯说，这是一个僵硬的问题。因此，通常在电极上涂上一种凝胶，但这种凝胶在短时间后就会变干。相比之下，他解释说，新的电极电极超薄(小于1微米)，高度灵活，紧贴皮肤表面，使它们更舒适，更准确。他补充说，导电聚合物墨水是一种混合导体，这一事实也提高了测量质量。“它具有双重特性，既是电子导体又是离子导体。”

到目前为止，测试电极的电生理技术包括肌电图(用于评估肌肉的肌电活动)、心电图(用于心脏电活动)和脑电图(用于脑电活动)。格雷科说，他们正在与一些公司就这些电极的商业化进行谈判。他还与格拉茨的脑机接口设计师合作，评估电极在设备中的使用，这些设备允许人们仅通过大脑活动与计算机互动。

深入皮肤

但是，如果不是把笨重的传感工具换成你几乎感觉不到皮肤的传感工具，而是更进一步，把传感器放在皮肤下面呢?两个研究小组现在开始探索这个想法。这两种纹身的灵感都来自传统纹身，即使用纹身枪将颜料颗粒注入皮肤下。

美国科罗拉多大学博尔德分校的纳米材料教授卡森·布伦斯解释说:“我们正在制造功能性显微植入物，这种植入物可以进入真皮层，并赋予一些功能或健康益处。”他开发了一种功能性纹身，其中包含包裹在塑料外壳中的紫外线感应分子机器，这些机器被注入真皮层以监测紫外线暴露。

紫外线感应分子是“一种分子开关，当它吸收紫外线光子时，会发生结构变化，使其从无色变为蓝色，”布伦斯说。“紫外线越多，纹身就会变得越蓝。”“智能手机上的照片和算法可以量化曝光量，一旦紫外线水平再次降低，这些分子就会变回无色状态。”到目前为止，这些功能性纹身已经在体外猪皮，还有布伦斯本人。他补充说:“我们获得了一笔拨款，可以在活体啮齿动物模型上测试这些产品，所以我们将在今年进行测试。”

智能纹身被批准使用需要10到20年的时间

Ali Yetisen，帝国理工学院，英国

与此同时，英国伦敦帝国理工学院的阿里·耶提森(Ali Yetisen)专注于功能性纹身，这种纹身可以监测身体内部的状况，比如葡萄糖水平和水合状态。他说:“我们已经创造了一系列化合物，可以直接纹在皮肤内部，并与组织液或细胞外基质中的生物标志物相互作用，从而提供有关身体状况的定量信息。”

葡萄糖传感纹身是多组分的。首先，葡萄糖氧化酶氧化葡萄糖生成过氧化氢，然后过氧化氢氧化四甲基联苯胺(在过氧化物酶的帮助下)形成蓝绿色分子。这种颜色变化是肉眼可见的，智能手机算法提供定量信息。

然而，水合传感器不会引发明显的变化;它会对电解质产生荧光反应。冠醚(含有几个醚基团的环状化合物)与某些离子螯合时会发出荧光，它们是感应分子。每个传感器包含三种不同的冠醚——捕获质子(提供pH值信息)、钠离子和钾离子。这些纹身需要一个带有光学滤光片的便携式设备，以便智能手机读取信息。

伯恩斯和耶蒂森都不希望他们的功能性墨水很快就能在你当地的纹身店或药店买到。叶蒂森说，开发这些产品并获得批准使用需要10到20年的时间。但到那时，大多数研究人员确实预计，贴在皮肤表面的传感设备将像今天的fitbit和苹果手表一样普遍，并将为我们提供几乎难以想象的深入了解我们身体的运作方式。

妮娜·诺特曼是英国索尔兹伯里的一位科学作家