可注射的生物感測器：有望長期檢測人體酒精含量！

導讀

近日，美國加州大學聖迭戈分校開發出一種小型化、低功耗、可注射的生物感測器，它將可以用於長時間、不間斷的酒精檢測。該晶元小到足以嵌入人體表皮之下，並能通過可穿戴設備例如智能手錶或貼片無線供電。

背景

飲酒，是一種歷史悠久而普遍的生活習慣和社會風俗。許多朋友都喜歡喝酒，但是也許很多人並不清楚，酒是世界上使用最為廣泛的成癮性物質。長期過量飲酒可造成酒精濫用和酒精成癮，並伴發多種精神損害、軀體損害和社會損害。

對於酒精成癮症患者的治療來說，其中一個重要挑戰就是，缺少用於常規檢測的便捷工具。目前，評估血液中酒精含量的最常規方法就是：呼吸分析儀。但是，它的缺點是相對笨重，還需要患者主動吹氣，且並不是十分精準。血液測試是最精準的方法，但是需要訓練有素的技術人員才能操作。

也許，將酒精感測器如同文身一樣佩戴在皮膚上，是一個有前途的新選擇。筆者也曾介紹過這方面的創新案例，例如美國國家生物醫學影像與生物工程研究所開發的生物感測器貼，就如同文身一般，它可以刺激汗液分泌，並檢測汗液中的酒精含量。但是，文身類的皮膚貼片也存在一些缺點，就是很容易被移除，且只支持一次性使用。

（圖片來源：美國化學會）

創新

近日，美國加州大學聖迭戈分校（University of California San
Diego ）開發出一種小型化、低功耗、可注射的生物感測器，它將可以用於長時間、不間斷的酒精檢測。該晶元小到足以嵌入人體表皮之下，並能通過可穿戴設備例如智能手錶或貼片無線供電。

（圖片來源：David Baillot / 加州大學聖迭戈分校雅各布工程學院）

加州大學聖迭戈分校雅各布工程學院電氣工程系教授、該項目的領頭人 Drew Hall 表示：「這項工作的最終目標是開發一種常規的、不惹眼的酒精與藥物檢測設備，用於藥物濫用患者的治療項目。這種可注射的微型感測器，在門診就可以操作而無需手術，使得患者更容易在更長時間內按照規定進行檢測。」 Hall 也隸屬於加州大學聖迭戈分校的無線通信中心和可穿戴感測器中心。4月10日，Hall 的團隊在於聖迭哥召開的2018年度IEEE定製集成電路大會（CICC）上展示了這項研究。

相關論文標題為： "A Sub-1 uW Multiparameter Injectable BioMote for
Continuous Alcohol Monitoring."，作者包括加州大學聖迭戈分校的 Haowei Jiang*、Xiahan Zhou*、Saurabh Kulkarni、 Michael Uranian、 Rajesh Seenivasan、Drew A. Hall。

技術

生物感測器晶元的尺寸約為1立方毫米，可注射到皮膚下圍繞身體細胞的細胞間液中。它含有一個塗有乙醇氧化酶的感測器，這種酶選擇性地與酒精交互生成副產品，這個副產品可以通過電化學方法檢測到。電信號通過無線方式傳輸至附近的可穿戴設備，例如智能手錶，而晶元也是通過可穿戴設備無線供電。晶元上另外兩個感測器用於測量背景信號與pH值，這些值被抵消後，酒精度數的測量會變得更加精準。

（圖片來源：David Baillot / 加州大學聖迭戈分校雅各布工程學院）

研究人員將晶元功耗設計得儘可能低，總共才970納瓦，差不多是智能手機打一個電話所消耗的功率的百萬分之一。Hall 表示：「我們不想晶元對於可穿戴設備的電池壽命產生顯著影響。我們正在植入它，所以不想許多的熱量產生於身體局部或者電池內，這有可能會產生潛在的毒性。」

讓晶元的運行功耗變得超低，其中一個辦法就是通過一種叫做「後向散射」的技術。對於這項新穎有趣的技術，筆者之前也介紹過它的應用案例，讓我們一起回顧一下：

1）美國華盛頓大學利用「調頻後向散射技術」，將我們生活中日常物品變為無線電台，使之與手機或者汽車通信交換數據，其功耗遠低於藍牙、WiFi等無線通信技術。

2）美國華盛頓大學首次利用「遠程後向散射技術」演示了，一種設備幾乎以零功率運行，傳輸數據的距離最高可達2.8千米。這項研究突破對於物聯網的發展來說有著重要意義。

在今天介紹的案例中，一個鄰近的設備例如智能手錶，發送無線電頻率信號至晶元，晶元發送數據時會將這些信號修改並反射至智能手錶，於是後向散射就產生了。

同時，研究人員也為晶元設計了超低功耗的感測器讀出電路，並最小化測量時間，使之僅有三秒鐘，從而讓功耗更低。

研究人員通過一個模仿植入環境的裝置，在人體外測試了該晶元。這包括測試在豬皮膚層下的稀釋的人體血清中的乙醇混合物。

價值

總結一下，這樣研究讓人體中酒精的測量變得更加的方便快捷，實現了小型化、低功耗、可注射的生物感測器。它植入方便，無需手術，不僅將在人體中實現長期不間斷的酒精檢測，未來還將應用於其他分子與藥物的檢測。

未來

就未來的研究而言，研究人員正在計劃在活的動物中測試這種晶元。Hall 的研究小組正在與位於加州大學聖迭戈分校高通研究院創新空間的創業公司 CARI Therapeutics 以及加州大學聖迭戈分校的成癮症精神病醫生Carla Marienfeld 博士（他精通治療藥物濫用症）合作，一起優化該晶元用於新一代的康複檢測。Hall 的研究小組正在開發能夠在體內檢測其他分子和藥物的晶元版本。

Hall 表示：「這是一個概念驗證階段的平台技術。我們已經展示了這種晶元能夠測試酒精，但是我們憧憬著設計出能檢測其他不同濫用藥物，並注射定製的雞尾酒到患者體內，提供長期的、個性化的醫療檢測。」

關鍵字

晶元、生物感測器、可植入設備

參考資料

【1】https://ucsdnews.ucsd.edu/pressrelease/tiny_injectable_sensor_could_provide_unobtrusive_long_term_alcohol_monitori

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