汗液是一類有吸引力的生物體液，可用于體內(nèi)化學(xué)物質(zhì)的無創(chuàng)監(jiān)測。汗液中含有豐富的與生理健康狀態(tài)相關(guān)的生物標志物，包括電解質(zhì)、代謝物、激素、蛋白質(zhì)和外源性藥物等。研究表明，對這些生物標志物以及其它汗液生物標志物的間歇性或連續(xù)評估，可以提供對身體代謝過程的時間動態(tài)研究，從而廣泛應(yīng)用于運動表現(xiàn)評估以及醫(yī)學(xué)診斷等領(lǐng)域。傳統(tǒng)的汗液收集方法是借由條帶將吸收墊或微孔管壓在表皮上，并在汗液從皮膚中流出時，將汗液收集起來。這些收集方法需要訓(xùn)練有素的人員、特殊的處理方法和昂貴的實驗室設(shè)備，無法實現(xiàn)實時汗液分析，并且容易導(dǎo)致樣品污染或丟失。

柔性微流控、傳感技術(shù)和電子學(xué)的最新進展為一類獨特的類皮膚表皮微流控（“epifluidic”）系統(tǒng)的發(fā)展奠定了基礎(chǔ)。表皮微流控系統(tǒng)通過微流控網(wǎng)絡(luò)的固有封裝和保形皮膚界面，可以消除外部樣品污染。制造芯片實驗室（lab-on-chip）微流控器件的一種常見的、成熟的工藝是軟光刻工藝，其需要高精度的模具來構(gòu)建基于彈性體材料的離散、有圖案的層（例如聚二甲基硅氧烷（PDMS）），將這些層粘合在一起，就會構(gòu)成一個密封的器件。常規(guī)情況下，生產(chǎn)具有足夠特征分辨率（>20 μm）的模具需要昂貴且耗時的加工方法（微加工和微銑削），并且需要專門的無塵室環(huán)境。這些要求導(dǎo)致了器件設(shè)計周期的延長，用于創(chuàng)新的設(shè)備不易獲取，以及由于不適用大規(guī)模制造而給商業(yè)部署帶來的額外挑戰(zhàn)。

增材制造（AM）或三維（3D）打印代表了傳統(tǒng)平面（2D）制造方法的一種有吸引力的替代方案。通過快速擴展的打印方法庫，增材制造具備生產(chǎn)具有真正3D架構(gòu)復(fù)雜對象的強大功能。一般來說，可穿戴系統(tǒng)設(shè)計必須解決皮膚機械性能與剛性平面器件組件之間固有的不匹配問題。柔性材料化學(xué)的最新進展為3D打印方法用于可穿戴設(shè)備制造奠定了基礎(chǔ)。然而，由于適合打印高分辨率微流控器件的主要材料化學(xué)成分（即甲基丙烯酸酯基樹脂）的楊氏模量很高，因此利用3D打印方法制造表皮微流控器件仍然很受限制。目前制造皮膚界面3D打印微流控器件的努力方向是使用替代打印方法，例如，熔融沉積建模法和直接墨水書寫法等，這些方法支持低模量材料的制造，但代價是打印機分辨率（>200 μm）。對于表皮微流控器件而言，理想的制造方案是使用基于樹脂的打印方法來制造具有與傳統(tǒng)方法特征尺寸相當?shù)牟⑶揖哂猩锵嗳菪孕螤畹钠骷＿@種方法將用真正的3D器件架構(gòu)改變流體設(shè)計領(lǐng)域，同時實現(xiàn)快速、迭代的設(shè)計過程，促進個性化器件定制，并降低小批量生產(chǎn)的成本。

據(jù)麥姆斯咨詢報道，近期，來自美國夏威夷大學(xué)（University of Hawaii）的研究人員報道了一種“集汗器（Sweatainer）”系統(tǒng)，該系統(tǒng)引入了一種增材制造方法來制造表皮微流控器件，以用于收集和分析汗液。該增材制造方法可以實現(xiàn)微流控通道和流體控制組件（如閥門）的真正3D設(shè)計。此外，對打印參數(shù)的詳細表征和優(yōu)化為制造光學(xué)透明度更高、特征尺寸小于100 μm的微流控器件提供了可行的路徑。相關(guān)研究成果以“Skin-interfaced microfluidic systems with spatially engineered 3D fluidics for sweat capture and analysis”為題，發(fā)表于Science Advances期刊。

Sweatainer系統(tǒng)由一個由封閉通道和非密封儲層組成的3D打印微流控網(wǎng)絡(luò)、一個PDMS儲層封蓋層和一個由超薄生物醫(yī)學(xué)粘合劑制成的襯墊組成。在完成器件的粘合前引入染料或比色測定，可以分別實現(xiàn)汗液可視化和氯化物的濃度分析。此外，該系統(tǒng)的一個關(guān)鍵特點是使用增材制造方法實現(xiàn)完全3D的單片微流控設(shè)計，包括復(fù)雜的非平面內(nèi)部通道結(jié)構(gòu)、空間漸變幾何形狀和3D毛細管爆破閥（CBVs）。毛細管爆破閥是許多表皮微流控平臺中汗液生物標志物序列分析的關(guān)鍵組成部分。由物理（如汗腺密度）、生理（如運動和情緒）和外部因素（如溫度和pH）引起的出汗率的時間動態(tài)變化會導(dǎo)致分析物濃度的相應(yīng)變化。當流體壓力低于設(shè)計閾值（爆破壓力（BP））時，毛細管爆破閥可以阻止流體流動；當流體壓力超過爆破壓力時，毛細管爆破閥立即爆破。其中，毛細管爆破閥的爆破壓力由閥門幾何形狀控制，而無需使用執(zhí)行器或可移動組件。與平面毛細管爆破閥相比，3D制造擴展了毛細管爆破閥的設(shè)計空間，可以更好地控制由此產(chǎn)生的爆破壓力。同理，空間漸變幾何形狀的設(shè)計通過允許微流控通道和儲層之間的連續(xù)過渡，可以提高汗液收集效率。

圖1 用于收集和分析汗液的3D打印表皮微流控器件的原理圖和光學(xué)照片

圖2 用于連續(xù)汗液分析的3D毛細管爆破閥（CBVs）的設(shè)計

隨后，研究人員使用靜態(tài)騎車的場景研究方法對Sweatainer系統(tǒng)的汗液檢測性能進行了研究，包括多重樣品收集性能和氯化物濃度的原位比色分析性能。研究結(jié)果表明，所設(shè)計的Sweatainer系統(tǒng)可以實現(xiàn)原始汗液樣本的多重收集，并降低收集過程中樣本污染的風險。此外，該系統(tǒng)是一種可行的基于比色法的生物標志物分析平臺，其報告值與現(xiàn)有的臨床方法相當。

圖3 Sweatainer系統(tǒng)的場景研究

總體而言，Sweatainer系統(tǒng)為汗液研究提供了一系列可能性，包括遠程診斷和居家診斷、用于未來臨床研究的生物銀行，以及將汗液分析整合到現(xiàn)有的臨床化學(xué)方法中。此外，利用增材制造方法制備的Sweatainer，可以實現(xiàn)幾何形狀的定制，并簡化集成到臨床工作流程中，進一步增強了平臺的潛力，促進了超低濃度汗液生物標志物的量化。未來的研究將尋求通過設(shè)計的優(yōu)化，在更劇烈和動態(tài)的身體活動中，通過開發(fā)能夠支持更廣泛的體力消耗的優(yōu)化設(shè)計，來研究汗液收集平臺在臨床應(yīng)用之外的通用性。

審核編輯：劉清