新型紙基醫療診斷裝置：自供電、攜帶型、低成本！

導讀

最近，美國普渡大學的研究人員開發出一種低成本、攜帶型、自供電的、紙基的新型醫療診斷裝置，它能夠檢測生物標記物和診斷疾病。

關鍵字

醫療電子、自供電、感測器

背景

傳統的醫療診斷設備給我們的印象：笨重、昂貴、難操作、需要很長時間的才能獲取診斷結果。也正是這些因素制約了醫療技術的進一步發展和普及，特別是對於發展中國家和偏遠落後地區來說。

然而隨著物聯網、感測器、人工智慧、材料、柔性電子、可穿戴等領域的技術不斷地創新和突破，越來越多的小型化、攜帶型、低成本、易操作的醫療診斷設備不斷湧現出來。

例如，筆者曾經介紹過的：用於艾滋病檢測的U盤，30分鐘內可以獲取檢測結果；自動化診斷測試閱讀器，利用智能手機讀取細菌耐藥性的值；檢測癌症的智能手機光譜儀，可提供實驗室級別的檢測結果；基於智能手機的精液分析儀，讓你在家就可以進行精液檢查；由納米感測器陣列組成的呼吸分析儀，可以通過呼氣，檢測癌症等17種不同類型的疾病。除此之外，還有各式各樣的晶元實驗室和生物感測器設備。

創新

然而，我今天介紹的是一項非常具有特色的創新技術，讓大家可以更好地體會到目前醫療設備領域最前沿的創新發展。最近，美國普渡大學的研究人員開發出一種由紙做成的新型醫療診斷裝置，它可以可以通過電化學分析，檢測生物標記物和診斷疾病。這種設備能量供應方式是「自供電」式的，用戶僅需要進行觸摸，就可以為它提供能量。另外，它還提供了一種基於色彩的測試結果，讓非專業人員都可以很容易理解。

（圖片來源：普渡大學/Aniket Pal）

研究結果詳見8月22日《Advanced Materials Technologies》雜誌上發表的一篇論文。美國普渡大學工業和生物醫學專業的助理教授 Ramses V. Martinez 與研究生 Aniket Pal 、Debkalpa Goswami，訪問學者 Hugo E. Cuellar 、Heloisa F. N.
Caurin，高中生 Randy Kuang 一起合著了這篇論文。

技術

研究論文主要描述了SPED、TEG、攜帶型的恆電位儀和識別不同顏色信息的機器視覺演算法等概念。SPED 是自供電的紙基電化學裝置的英文縮寫。

（圖片來源：普渡大學）

測試的起始步驟是，在裝置的圓形部分上滴一滴血。這個圓形的面積小於兩英寸的正方形。SPED也含有「自移液測試區」（self-pipetting test zones），它可以浸入樣本，而無需採用扎手指的方式。

SPED的頂層是使用未經處理的纖維素紙，加上有圖案的疏水性「域」製成。這些「域」定義了一些通道，它們依靠毛細作用吸取血樣進行測試。這些「微流通道」可以精準地測定顏色的變化，從而顯示具體的測試結果。

（圖片來源：普渡大學）

（圖片來源：普渡大學）

另外，研究人員還設計了一種機器視覺診斷應用，或許是在智能手機上。它可以從SPED的數字圖像中，自動地識別和量化每一個「比色」測試的結果，為用戶提供快速診斷結果，促進遠程專家諮詢。

（圖片來源：普渡大學）

SPED的底層是一種「摩擦電發電機」，也稱為「TEG」，它是實現自供電的關鍵組件。通過簡單的摩擦或者按壓，它就可以產生足夠的電流，用於運行診斷測試。

（圖片來源：普渡大學）

研究人員也設計了一種廉價的手持設備，也稱為「恆電位儀」。它可以簡單地插入SPED，使得診斷測試變得自動化，未經培訓的用戶也可以進行測試。為恆電位儀供電的電池，可通過內置於SPED的TEG進行再充電。

價值

首先我們看看Martinez 是如何評價這項技術的：

「你可以將它看作一種攜帶型的實驗室裝置，完全由紙製成，廉價且可以通過焚燒進行處理。我們希望這種裝置可以服務於那些位於偏遠地區或者軍事基地的未經培訓的人員，在不需要任何電力、清潔的水以及其他設備的情況，測試一些列的疾病。」

（圖片來源：普渡大學）

「SPED是低成本、輕量、柔性且易用的。」

「據我們所知，這項研究報告了首個自供電的、紙基裝置，它可以結合低成本、攜帶型、使用紙基TEG進行再充電的恆電位儀，進行快速、準確和靈敏的電化學分析。」

SPED可以兼容大塊印刷技術，例如卷對卷印刷或噴塗沉積。它們可以進行「多路復用」分析，對於一些列定點照護測試的各種目標，進行高度靈敏和準確性的檢測。此外，它們也可以為其他電子設備供電，促進實現資源受限環境中的遠程醫療應用。

SPEDs 可以用於檢測生物標記物，例如葡萄糖、尿酸和L-乳酸、酮類以及白血球，這些指標與肝腎功能，營養不良和貧血相關。未來，這項技術將再添加幾層用於更加複雜測定，檢測登革熱、黃熱病、瘧疾、艾滋病毒和肝炎等疾病。

參考資料

【1】http://www.purdue.edu/newsroom/releases/2017/Q3/self-powered-paper-based-speds-may-lead-to-new-medical-diagnostic-tools.html

【2】Aniket Pal, Hugo E. Cuellar, Randy Kuang, Heloisa F. N. Caurin, Debkalpa Goswami, Ramses V. Martinez. Self-Powered, Paper-Based Electrochemical Devices for Sensitive Point-of-Care Testing. Advanced Materials Technologies, 2017; 1700130 DOI: 10.1002/admt.201700130

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