跟蹤生物標記物監測用感測器系統開發上的進展

一位業內人士對用於人體生物標記物持續監測的非侵入式感測器平台開發過程中的各個方面進行了探索，並且就新型生物標記物感測設備製造預備度的當前狀態提供了深入見解。

在飛速發展的醫療技術行業中，對於健康和醫療來說，技術的發展現在已經使放棄「一刀切」的方法成為了可能，轉而採用配備了生物標記物感測功能的定製解決方案，以更加個性化的方式監測個人的生理情況。生物標記物是一類特定的生理指標，可用於確定各種病情或疾病的風險因素。可以為個人及其醫師提供重要的數據，更快的識別或者證實可能需要以治療的方式進行干預的病情或疾病。

醫師通常使用生物標記物，對可能患有癌症、心臟病或之前未檢出糖尿病癥狀的患者進行診斷和監測。非侵入式生物標記物感測器可以準確的測量出汗液和其他生物流體的變化，從而以更加個性化的方式，也稱為以患者為中心的方式，實現健身的目標並提供醫療管理。早期檢測出特定的生物標記物可以改善治療計劃的效果，並且降低不良事件造成的事件率與入院數量。早期檢測出危及生命的疾病可以潛在的挽救生命。

圖 1 可穿戴式感測器

主流的可穿戴式健身器材可以檢測步數、心率和消耗的卡路里數之類的測量指標。當今社會，人們對於可穿戴設備的興趣日益增長，興趣已經遠遠超出了對各種生物特徵參數的測量，轉向了測量體液的生物標記物。血液、汗液、唾液和其他生物流體已經廣泛的應用於醫療環境下的臨床分析。通過體液來持續監測生物標記物是一個無痛、非侵入的過程，有助於確保病人的配合度 – 可以為承受慢性疾病風險或者罹患這類疾病的人群帶來全部的優勢，對於他們的醫師也同樣有所幫助。成功的進行準確、非侵入的生物標記物持續監測，代表了醫療保健上的巨大進步，並且也會為感測器設備的開發商帶來大量的市場機會。

與血液或其他生物流體相比，汗液獨有的特徵使得可以通過非侵入的方式，快速的進行收集和測試。研究人員、創業企業和行業的領導者都在積極的從事相關項目，設計並測試能夠測量人體汗液中各種生物標記物的感測器。已經有多種原型設備充分利用了高度靈敏的碳納米管感測技術，以及超薄柔性硅晶元模的開發成果，保持穩步發展。

圖 2 生物標記物感測器的概念

比如說，乳酸就是汗液中存在的一種可能非常重要的生物標記物，因為它可以指出人的身體是否已經開始疲勞，並且已經被用作醫院病人全因死亡率的一個指標。在基於汗液的葡萄糖監測技術開發方面，也取得了一定的進展，具有結合起透皮給葯系統的潛力，可同時用於多種藥物。基於皮膚的感測器還可以測試汗液中是否存在其他代謝物，例如電解質、鈣和重金屬離子等等。通過生物醫學工程師和材料科學家之間的協作，推出了小型的可穿戴式柔性感測器，能夠讀取汗液分子結構中的多種生物標記物，然後將數據發送到智能手機，進行實時的分析與跟蹤。

技術預備度和製造預備度水平的評估，對於生物標記物感測器都非常重要，以便識別出開發中的差距以及風險。對於能夠檢測出汗液或其他體液中預計濃度水平的生物標記物的柔性感測器來說，開發過程中存在著許多的挑戰。與血樣相比，汗液和唾液中存在的生物標記物的濃度要低得多。收集到足夠容量和濃度樣本所需的時間具有高度的獨立性，與輸出、環境問題和其他環境因素有關。對於可穿戴設備和一次性設備來說，以可承受的成本來確保複雜流體讀數的可選擇性上與靈敏度上的一致性，是需要感測器的開發商和製造商克服的重大障礙。生物流體樣本在實驗室環境下可以不斷的更新，然而，儘管微流體技術的發展前途無量，真實世界中的測試對象已經證明這一技術不足以以足夠的速度補充汗液從而維持平衡，例如，在一個汗液監測用例場景中，感測器的可選擇性、靈敏度、穩定性和可靠性都具有至關重要的作用。

一次性的生物標記物感測器一般都通過作為特定生物標記物受體的化合物來實現功能，這類化合物可以將化學感受轉換為在感測器上可變的電阻負載。為了最終將感測器整合到可穿戴的一次性設備中，在實驗室狀態下，已經成功的開發出了多種引起大家興趣的生物標記物感測器技術，然而這類技術還需要進一步的開發，從而為要求苛刻的可穿戴產品實現所需的性能標準。對於濃度更低的樣本，感測器甚至必須具有更高的靈敏度與穩定性，這樣才能達到應用的目標。

與此同時，Molex 已經開發出了多種超薄的柔性感測器展示平台，可以實現與形形色色的一次性感測器的介面。這類感測器平台通常採用定製的配置，從而可以按給定的感測器響應能力與應用的要求，對信號進行解釋。這類展示平台上的感測器採用的濃度往往要高於在極致的可穿戴式感測器設備中可以達到的濃度，在確認差距的同時，有助於表現出技術的潛力。在接受了生物標記物的化合物後，可以有效的在感測器上轉換為可識別的負載，然後通常可將這一負載放大並且數字化，傳送到處理器以執行邏輯計算，最終再通過指示器的顯示屏或其他 HMI(例如，移動應用)顯示給用戶。

設備在商業上成功與否，除了可製造性以及最為重要的成本之外，還取決於感測器系統的形狀係數與性能。電子元件集成的可靠性在優先順序上要高於相對於生物標記物感測器技術的商業化曲線。一系列感測器平台都可用於為原型的生物標記物信號建模，以及開展子系統的功能測試。典型的生物標記物感測器平台的主要特點包括了微處理器、運算放大器和模擬-數字轉換器、LED 指示燈或超薄柔性顯示屏、天線、可能的輔助存儲器，以及鈕扣電池或薄膜電池。

通過採用基於 FR-4 的快速產出型印刷電路板組件，可以使集成感測器設計的概念成為現實，對新設計中的各種變數作出限制。近期在柔性功能印刷以及裝配材料和技術上的發展，可以實現比傳統的剛性或柔性蝕刻銅電路更加經濟、重量更輕的柔性混合感測器電子元件。在柔性銀電路上構建的生物標記物感測器平台允許進行複雜性更高而且柔性更高、更為耐久的雙側電路布局。典型的系統可能包含聚對苯二甲酸乙二醇酯 (PET) 基板，其中的銀墨水和電介質墨水應用採用了廣泛應用的印刷技術。根據具體應用需求的不同，舉例說來，組件可以整合用於 IC 的 0.50 毫米螺距 QFN 封裝、保護關鍵元件的封裝、基於鋅錳或鋰聚合物的薄膜電池、生物相容的裝配膠粘劑，以及圖形覆蓋層，為製成品提供美觀的外觀效果。

圖 3 Soligie 柔性混合電路

對於集成感測器平台的核心因素來說，功率預算是需要首先考慮的事項，然後需要開發固件，為微控制器的功能、微控制器流程以及從感測器、運算放大器和 ADC 發出的放大的數字化數據進行編程，然後通過無線技術將數據發送到智能手機或其他移動設備，這類無線技術往往採用近場通訊 (NFC 13.56MHz) 或低功耗藍牙 (BLE) 技術。當前，大多數的集成感測器設計厚度範圍在 2 至 5 毫米。然而，可穿戴的生物標記物感測器的真實形狀係數需要更薄，這樣才能為用戶帶來最大的舒適度，使侵入感降到最低。厚度更薄的硅晶元模可以實現更薄、柔性更高的基板。高速的板對板和卷對卷印刷與裝配技術可以規模更大的批次來處理厚度薄的多的基板(厚度為 1 至 2 毫米)。

圖 4 Soligie 柔性感測器平台

為了檢測出人體生物流體中的一系列生物標記物，在改善超薄柔性感測器的一致性方面，已經實現了重大的進步。然而，與用於計步或測量振動、衝擊、環境溫度或表面溫度以及濕度之類的其他外部因素的感測器相比，對於與生物流體發生接觸的可穿戴設備，其要求將更加新穎，並且更加細緻入微。我們需要開展更多的工作，從而構建起微型化的可穿戴集成生物標記物感測器解決方案，這類解決方案需要具有高度的可靠性與準確性，採取一次性設計，經濟性極高。眾多開拓性的開發人員正在朝著低成本合規電子元件的方向努力，這類電子元件可經穿戴以監測人體健康與性能指標，敬請關注我們的更新內容。

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