15年的酝酿 科学家发明可治疗皮肤的"活生物电子学"

15年的酝酿科学家发明可治疗皮肤的"活生物电子学"史久云（JiuyunShi）拿着他和芝加哥大学科学家团队发明的一个小型装置，该装置将活细胞、凝胶和传感器整合在一起，创造出"活的生物电子学"来治疗皮肤。图片来源：JiuyunShi和Bozhi田/芝加哥大学多年来，田博智教授的实验室一直在探索如何将电子领域（通常是刚性、金属和笨重的领域）与人体的柔软、灵活和微妙特性相结合。在最近的研究中，他们创建了一个所谓"活体生物电子学"的原型：活细胞、凝胶和电子学的结合体，可以与活体组织融为一体。这种贴片由传感器、细菌细胞以及由淀粉和明胶制成的凝胶组成。在小鼠身上进行的试验发现，这种装置可以持续监测和改善类似牛皮癣的症状，而且不会刺激皮肤。"这是与传统生物电子学的桥梁，传统生物电子学将活细胞作为治疗的一部分，"该论文的共同第一作者、曾在田的实验室（现为斯坦福大学）攻读博士学位的JiuyunShi说。田说："我们非常激动，因为这已经酝酿了十多年。"研究人员希望这些原理也能应用于身体的其他部位，如心脏或神经刺激。这项研究发表在5月30日的《科学》杂志上。将电子设备与人体配对一直是个难题。虽然心脏起搏器等设备改善了无数人的生活，但它们也有自己的缺点：电子设备往往笨重而僵硬，可能会引起刺激。但田的实验室擅长揭示活细胞和组织与合成材料相互作用背后的基本原理；他们以前的工作包括可以用光控制的微小起搏器，以及可以构成骨植入基础的坚固而柔韧的材料。在这项研究中，他们采用了一种新方法。通常情况下，生物电子学由电子元件本身和一个软层组成，软层的作用是减少电子元件对人体的刺激。但是，田的研究小组想知道，他们是否能通过整合第三个组件（活细胞本身）来增加新的功能。研究小组对某些细菌（如表皮葡萄球菌）的治疗特性很感兴趣，表皮葡萄球菌是一种天然生活在人体皮肤上的微生物，已被证明可以减轻炎症。薄如蝉翼的贴片集成了柔性电子电路、木薯淀粉和明胶制成的凝胶以及有助于治疗皮肤病的友好细菌。图片来源：JiuyunShi和BozhiTian/芝加哥大学他们创造了一种由三个部件组成的装置。框架是一个带有传感器的薄而柔韧的电子电路。它上面覆盖着由木薯淀粉和明胶制成的凝胶，这种凝胶非常柔软，可以模拟组织本身的构成。最后，表皮葡萄球菌微生物被塞进凝胶中。当把设备放在皮肤上时，细菌会分泌能减轻炎症的化合物，而传感器则会监测皮肤的温度和湿度等信号。在对易患牛皮癣样皮肤病的小鼠进行的试验中，症状明显减轻。他们的初步测试持续了一周，但研究人员希望该系统--他们称之为ABLE平台（ActiveBiointegratedLivingElectronics）--可以使用半年或更长时间。他们说，为了使治疗更方便，该装置可以冻干储存，需要时也可以轻松补水。论文的另一位共同第一作者、实验室的在读博士生SaehyunKim说："由于治疗效果是由微生物提供的，因此它就像一种活的药物--不必再给它加药。"更广泛的应用和未来目标除了治疗牛皮癣，科学家们还设想了一些应用，比如用贴片来加速糖尿病患者的伤口愈合。他们还希望将这种方法推广到其他组织类型和细胞类型。田说："例如，这能创造出一种胰岛素分泌装置，或者一种与神经元连接的装置吗？有很多潜在的应用。"田说，这是他从近15年前担任博士后研究员时就一直怀有的目标，当时他第一次开始试验"义体组织"。他说："从那时起，我们已经了解了很多基本问题，例如细胞如何与材料对接以及水凝胶的化学和物理，这让我们能够实现这一飞跃。看到它成为现实，我感到非常高兴。"史久云说："我一直热衷于挑战科学的极限。"我希望我们的工作能为下一代电子设计带来灵感。"编译来源：ScitechDaily...PC版：https://www.cnbeta.com.tw/articles/soft/1433257.htm手机版：https://m.cnbeta.com.tw/view/1433257.htm

比盐粒还小的微型芯片未来有望改变医学传感器技术

比盐粒还小的微型芯片未来有望改变医学传感器技术传感器网络的设计使芯片可以植入人体或集成到可穿戴设备中。每个亚毫米大小的硅传感器都模仿大脑神经元通过尖峰电活动进行交流的方式。传感器检测到特定的尖峰事件，然后利用无线电波实时无线传输数据，从而节省了能源和带宽。布朗大学博士后研究员、该研究的第一作者李继勋（JihunLee）说："我们的大脑以一种非常稀疏的方式工作。神经元不会一直发射。它们压缩数据，稀疏地发射，因此效率非常高。我们的无线通信方法就是在模仿这种结构。传感器不会一直发送数据--它们只会在需要时发送相关数据，就像短暂的电脉冲一样，而且它们能够独立于其他传感器发送数据，无需与中央接收器协调。通过这样做，我们可以节省大量能源，避免中央接收器中心被意义不大的数据淹没。"这种射频传输方案还使系统具有可扩展性，并解决了当前传感器通信网络的一个常见问题：它们必须完全同步才能正常工作。研究小组在《自然-电子学》（NatureElectronics）杂志上撰文，介绍了一种新颖的无线通信网络方法，这种网络可以从数千个微电子芯片中高效地传输、接收和解码数据，而每个芯片的大小都不超过一粒盐。图片来源：NickDentamaro/布朗大学研究人员说，这项工作标志着大规模无线传感器技术向前迈出了重要一步，有朝一日可能会帮助科学家们确定如何从这些小小的硅器件中收集和解读信息，特别是由于现代科技的发展，电子传感器已变得无处不在。布朗大学工程学院教授、该研究的资深作者阿尔托-努尔米科（ArtoNurmikko）说："我们生活在一个传感器的世界里。传感器无处不在。它们当然出现在我们的汽车里，出现在许多工作场所，而且越来越多地进入我们的家庭。对这些传感器来说，最苛刻的环境永远是人体内部。"因此，研究人员认为该系统有助于为下一代植入式和可穿戴式生物医学传感器奠定基础。医学界越来越需要高效、不显眼、不易察觉的微型设备，这些设备还能作为大型组合的一部分运行，以绘制整个相关区域的生理活动图。"李说："在实际开发这种基于尖峰的无线微传感器方面，这是一个里程碑。如果我们继续使用传统方法，就无法收集到这些应用在这类下一代系统中需要的高信道数据。"传感器所识别和传输的事件可以是特定的事件，如监测环境的变化，包括温度波动或某些物质的存在。传感器之所以能够使用如此少的能源，是因为外部收发器在传感器传输数据时为其提供无线供电，这意味着传感器只需在收发器发出的能量波范围内就能获得充电。这种无需插入电源或电池即可运行的能力使它们在许多不同的情况下都能方便、灵活地使用。研究小组在计算机上设计和模拟了复杂的电子器件，并通过多次制造迭代来制造传感器。这项工作建立在Nurmikko在布朗大学实验室先前研究的基础上，该研究推出了一种名为"神经粒"的新型神经接口系统。该系统使用一个由微型无线传感器组成的协调网络来记录和刺激大脑活动。"这些芯片是相当复杂的微型电子设备，我们花了一段时间才做到这一点，"隶属于布朗大学卡尼脑科学研究所的努尔米科说。"要定制操纵这些传感器电子特性的几种不同功能--它们基本上被挤压到硅片的几分之一毫米空间--所需的工作量和精力并不小。"研究人员展示了他们系统的效率，以及该系统的潜在扩展能力。他们使用实验室中的78个传感器对系统进行了测试，发现即使传感器在不同时间传输数据，也能准确无误地收集和发送数据。通过模拟，他们能够展示如何利用约8000个假定植入的传感器，解码从灵长类动物大脑中收集到的数据。研究人员表示，下一步工作包括优化系统以降低功耗，以及探索神经技术以外的更广泛应用。李说："目前的工作提供了一种方法，我们可以在此基础上进一步发展。"编译自:ScitechDaily...PC版：https://www.cnbeta.com.tw/articles/soft/1425147.htm手机版：https://m.cnbeta.com.tw/view/1425147.htm

新的石墨烯传感器可实现更好的脑机界面

新的石墨烯传感器可实现更好的脑机界面一个BMI通常由三个模块组成：一个外部感官刺激、一个传感接口和一个处理神经信号的单元。在这三个模块中，传感接口至关重要，因为它能检测到大脑最外层--大脑皮层产生的电活动，而大脑皮层负责更高层次的过程，包括运动功能。但视觉皮层才是大脑皮层中接收和处理从眼睛发出的信息的部分，它是依赖视觉刺激的BMI的关键。视觉皮层位于大脑的最后面的枕叶。脑电波是通过可植入或可穿戴的传感器获取的，如脑电图（EEG）电极。在后脑勺使用EEG电极和其他非侵入性生物传感器的问题是，这是一个通常被头发覆盖的区域。湿式传感器依靠在头皮和头发上使用导电凝胶，但这可能会导致传感器在个人行动时移动。干式传感器可以作为一种替代方法，但它们也有挑战；它们的导电性比湿式传感器差，而且，鉴于头部的圆形，它们可能会遇到保持充分接触的困难。悉尼科技大学（UTS）的研究人员通过开发一种含有石墨烯的干式生物传感器来解决这些问题，石墨烯是一种一原子厚的碳原子层，以六边形晶格排列，比人的头发薄1000倍，比钢强200倍。鉴于石墨烯的薄度和高导电性，它是创建干式生物传感器的最佳材料。它还能抗腐蚀和抗汗水的影响，使其非常适合在头部使用。研究人员发现，将石墨烯与硅结合在一起产生了一种更坚固的干式传感器。他们开发的传感器上的石墨烯层的厚度不到一纳米。该研究的通讯作者FrancescaIacopi说："通过使用尖端的石墨烯材料，结合硅，我们能够克服腐蚀、耐久性和皮肤接触阻力等问题，开发出可穿戴的干式传感器。"研究人员对不同的传感器图案进行了实验，包括正方形、六边形、柱子和圆点，并发现六边形图案的传感器产生了最低的皮肤阻抗。然后他们用BMI测试了他们的新传感器。六角形图案的传感器被放置在后脑勺的头皮上，以检测来自视觉皮层的脑电波，用户戴上显示白色方块的增强现实（AR）镜片。通过专注于一个特定的方块，产生的脑电波被生物传感器接收到。然后一个解码器将该信号翻译成命令。"我们的技术可以在两秒钟内发出至少九个指令，"该研究的共同作者Chin-TengLin说。"这意味着我们有九种不同的命令，操作者可以在该时间段内从这九种命令中选择一种。"澳大利亚陆军士兵对石墨烯传感器BMI进行了现实世界的测试，用它来控制一只四条腿的机器人狗。该设备允许免提指挥机器人，准确率高达94%。Iacopi说："这种免提、无声技术在实验室环境之外，随时随地都可以使用。它使控制台、键盘、触摸屏和手势识别等界面变得多余。"然而，研究人员不认为这是他们设计的最终迭代。还需要进一步的研究和测试，以便在总的可用石墨烯面积、适应头发存在的能力以及保持传感器与头皮接触的能力之间取得平衡。但这是朝着开发技术迈出的有希望的一步，该技术可能对残疾人操作轮椅或假肢大有好处，并在先进制造业、国防和航空航天领域有更广泛的应用。该研究发表在ACS应用纳米材料杂志上。...PC版：https://www.cnbeta.com.tw/articles/soft/1350637.htm手机版：https://m.cnbeta.com.tw/view/1350637.htm

新研发的汗液传感器无需借助针头或锻炼即可获取身体健康数据

新研发的汗液传感器无需借助针头或锻炼即可获取身体健康数据首先，目前已经有多种皮肤贴片可以检测佩戴者汗液中的生物标记化学物质。这些化学物质在汗液中的浓度与血液中的浓度相关。虽然这些贴片确实可以无痛替代针刺采血，但它们要求患者在跑步机上跑步或进行其他类型的剧烈运动，从而出一身汗。这些活动通常必须在诊所进行，而且并不是每个人都能进行这些活动，例如婴儿和行动不便的人。一种替代方法是使用背带式装置，通过温和的电流刺激汗腺排汗。不过，这些装置往往相对庞大、复杂和昂贵，而且必须由训练有素的人员在临床环境中使用和操作。据称，这种新型可穿戴设备结合了这两种系统的优点，而没有缺点。它由韩国科学技术院（KIST）和伊利诺伊州西北大学的科学家共同开发。这种独立的设备是一个小巧灵活的矩形贴片，贴在病人的皮肤上。它包含电池、两个电极、集成电路、微流体通道和比色传感器等组件。在其粘合剂的底部有两部分水凝胶，其中含有一种名为皮洛卡平（pilocarpine）的药物。通电后，贴片的电极会向水凝胶输送微弱的电流。这将触发凝胶中的皮洛卡品刺激邻近皮肤的汗腺，使其释放汗液。汗液通过毛细管作用流经微流控通道，最后进入比色传感器顶部的小储液器中。如果汗液中含有特定的生物标志物，传感器就会变色。贴片上的窥视孔允许患者在自己家中贴上贴片并进行正常活动后，自己查看传感器。在对该技术的测试中，一批贴片被贴在了已经被诊断出患有囊性纤维化的婴儿身上。结果发现，这种设备能检测出氯化物水平的升高，而氯化物是该疾病的一个可靠指标，准确率超过98%。这一数字与传统的医院汗液分析系统对相同婴儿的检测准确率相当。事实证明，这种贴片还能准确检测出汗中明显的锌和铁浓度，而锌和铁是已知的囊性纤维化相关营养不良的生物标志物。"我们不仅解决了现有诱导出汗方法的局限性，还在临床研究中取得了成功，使我们离商业化更近了一步，"与KIST的KimJoohee博士共同领导这项研究的西北大学JohnA.Rogers教授说。"我们计划在未来开展大规模临床研究和商业化，包括成人临床研究和商业化"。有关这项研究的论文最近发表在《生物传感器与生物电子学》杂志上。...PC版：https://www.cnbeta.com.tw/articles/soft/1432688.htm手机版：https://m.cnbeta.com.tw/view/1432688.htm

超疏水生物传感器可克服汗液差异读取身体的隐性信号

超疏水生物传感器可克服汗液差异读取身体的隐性信号该传感器由Huanyu"Larry"Cheng,JamesL.Henderson,Jr.纪念工程科学和力学副教授Huanyu"Larry"Cheng开发的传感器，他们共同在ACSNano杂志上发表了一篇论文。感性或液体汗液是人可以感知的汗液，例如在高强度运动期间。可穿戴传感器可以对这种类型的汗液进行连续的、非侵入性的追踪。不可知的，或蒸汽的汗液则不同。它只是皮肤中的水分流失，在低强度运动或休息时以更小的速度分泌，测量它很困难。Cheng说："监测无知觉的汗液对于评估皮肤健康和疾病状况，如湿疹和伤口愈合，以及潜在的健康状态，如疼痛或焦虑，具有很高的价值。检测汗液速率和损失的皮肤界面设备目前仅限于与可感汗液一起工作，不适合于蒸汽状态下的不可感汗液。"多孔基质上的超吸收水凝胶复合材料被夹在两个超疏水纺织层之间，以允许汗液蒸汽的渗透，同时防止传感器受到感性汗液的外部水滴的影响。资料来源：宾州州立大学提供Cheng开发了一个超疏水汗液传感器的原型，用于测量不敏感汗液的水汽。这种材料--夹在两个超疏水纺织层之间的多孔基质上的超吸水凝胶复合材料--允许汗液蒸汽的渗透，同时防止传感器受到外部可感汗液水滴的影响。该传感器可以与一个灵活的无线通信和供电模块集成，持续监测不同身体位置的出汗率。在人体上进行的概念验证展示了连续评估人体体温调节和皮肤屏障功能的可行性。这实现了对热舒适度、疾病状况和神经系统活动的评估，并提供了一个低成本的设备平台，以检测汗液中其他与健康有关的生物标志物，从而发展出智能医疗和个性化医疗的下一代汗液传感器。...PC版：https://www.cnbeta.com.tw/articles/soft/1357449.htm手机版：https://m.cnbeta.com.tw/view/1357449.htm

基于水凝胶的传感器可改善膀胱过度活动症患者的生活质量

基于水凝胶的传感器可改善膀胱过度活动症患者的生活质量逼尿肌排列在膀胱壁上。受神经控制，在健康人中，肌肉放松以保持尿液，并在人排尿时收缩。但在OBS患者中，该肌肉过度活跃，导致突然的尿意，频繁的排尿（每天超过8次，通宵两次以上），偶尔会出现尿失禁。全世界有12.8%的女性和10.8%的男性患有OBS。这种情况的不可控性意味着，除了出现症状外，人们还经常受到不良影响，如工作效率下降、性满意度降低、心理健康状况不佳、焦虑和抑郁症发病率升高，以及睡眠质量下降。此外，如果不加以治疗，OBS可能导致肾功能障碍和衰竭。虽然这种情况可以用药物治疗，但对一些人来说，药物治疗是无效的。一种相对较新的治疗方法是对连接到膀胱的神经进行电刺激以减少过度活动。然而，如果不监测膀胱活动，就很难确定什么是正确的刺激量。刺激必须恰到好处；否则，治疗是无效的。为了准确监测OBS，需要对膀胱和逼尿肌的活动进行全面的机电测量。过去迭代的膀胱监测设备侧重于机械收缩和放松，但与日常活动相关的身体运动会干扰信号质量。此外，它们没有包括肌电图（EMG）来监测膀胱的生物电或神经活动。考虑到这些限制，韩国浦项科技大学（POSTECH）的研究人员设计了一种多功能植入式传感器，在一个平台上测量膀胱容积、机械收缩和放松以及神经活动。由于USH-SI传感器（超软水凝胶与结构工程小体结合的缩写）是由高弹性水凝胶制成的，与传统的硅胶传感器相比，它更容易和更牢固地粘附在膀胱组织上。在对一只猪和一只大鼠进行的实验中，研究人员发现，该传感器可以连续实时监测机电活动。而且该装置足够小，可以使用腹腔镜（"钥匙孔"）手术插入。该研究的通讯作者StevePark教授说："新的传感器表明，传感器可以做得足够小，可以通过外科机器人辅助的腹腔镜手术插入。这有可能最大限度地减少病人恢复的时间，并减少副作用。"研究人员正在开发高分辨率和多阵列传感器，以实现对膀胱活动的空间-时间分析。他们还在研究一个完全可植入的反馈系统，该系统包含一个神经刺激器，可用于诊断和治疗OBS以及潜在的其他疾病。该研究的主要作者Sung-MinPark教授说："我们将USH-SI传感器与一个神经刺激器结合起来，以治疗膀胱过度活动这一慢性疾病。这允许同时进行监测和神经刺激。我们期望它成为一个可以应用于其他内部器官的平台"。该研究发表在《生物传感器和生物电子学》杂志上。...PC版：https://www.cnbeta.com.tw/articles/soft/1349349.htm手机版：https://m.cnbeta.com.tw/view/1349349.htm