前言

可穿戴健康监测平台需要具有集成电子设备的先进传感模式。然而，当前的系统存在与能源供应、传感功能、电路法规和大尺寸相关的限制。加州大学圣地亚哥分校Joseph Wang团队开发了一种在指尖上运行的自主和连续汗液传感系统。该系统使用基于酶生物燃料电池和 AgCl-Zn 电池的自电压调节可穿戴微电网，能够分别从汗液中收集和储存生物能。它依靠渗透持续向传感器阵列供应汗液，以实现按需多代谢物传感，并与低功耗电子设备相结合，用于信号采集和无线数据传输。该可穿戴系统仅由指尖汗液提供动力，可以长时间检测葡萄糖、维生素 C、乳酸和左旋多巴。相关成果以“A fingertip-wearable microgrid system for autonomous energy management and metabolic monitoring”为题发表在【Nature Electronics】上。

复合指尖可穿戴微电网系统的原理与设计

指尖可穿戴微电网系统由四个生物燃料电池（BFC）、两个AgCl-Zn电池、一个柔性印刷电路板（fPCB）、四个电位电化学传感器和一个基于水凝胶的渗透泵汗系统组成，该系统带有激光雕刻纸微流体通道（图 1a）。电路、可伸缩电池和传感器逐层印刷在聚（苯乙烯-b-（乙烯-共丁烯）-b-苯乙烯）（SEBS）热塑性弹性体基材上（图1c)。多孔碳泡沫和水凝胶分别用作BFC的电极和汗液收集器。使用碳胶将碳泡沫固定在集流体（使用可拉伸银油墨（sAg） 制成）上。SEBS和sAg油墨的高弹性特性使微网格系统能够抵抗物理变形，允许整个系统以保形方式围绕指尖放置（图1c）。氯化物和乳酸处理进一步增强了sAg回路的稳定性。fPCB通过快速室温溶剂焊接方法粘合在印刷电路上，不会影响弹性，无需使用任何粘合层或导电浆料。串联的BFC始终以最大功率运行为两节串联的AgCl-Zn电池充电，从而足以为微控制器单元（MCU）持续供电。激光雕刻的微流控纸通道支持渗透泵送，在日常活动中有效地抽出指尖汗液并引导至传感器。MCU收集来自电化学传感器的信号，通过ADC将其转换为可读数据，并通过低功耗蓝牙传输以供进一步分析葡萄糖、维生素C、乳酸和左旋多巴。

图1 复合指尖可穿戴微电网系统的原理与设计

生物燃料电池BFC和柔性AgCl-Zn电池的表征

指尖能源管理模块旨在整合BFC和AgCl-Zn电池的综合化学特性。BFC化学成分和电池经过仔细表征，以确保匹配工作电位和互补特性，以实现相应的性能。研究人员采用柔软、耐用、导电和多孔的碳泡沫制造BFC，以提高能量密度，最大限度地减少组件的浸出。同时BFC模块可承受常见的机械变形，例如弯曲、包裹和拉伸（图2b）。即使在2000次向内弯曲和包裹循环后，仍观察到BFC电流密度的变化可以忽略不计，结果表明BFC的性能在很大程度上不受重复变形的影响。

图2 生物燃料电池BFC和柔性AgCl-Zn电池的表征

生物能量收集功能的测评

通过手指触摸测量彻底评估了BFC的生物能量收集功能。使用三维打印的扇形水凝胶切割器定制多孔PVA水凝胶以匹配BFC的尺寸，作为汗液收集和生物标志物转移介质附着在BFC电极顶部。水凝胶促进皮肤自然汗液的持续流动，为BFC提供乳酸作为燃料。设计了一种模式方法制造的基于SEBS的盖子来固定水凝胶。

在间歇性接触BFC时观察到功率迅速增加，这表明BFC可以在修饰多孔PVA水凝胶时添加燃料。移开手指后，水凝胶内积聚的汗液维持BFC运行，能够在至少15分钟内连续产生高密度能量（图3a）。收获的生物能随着BFC接触时间的延长而增加（图3b）。收获的能量取决于汗液乳酸浓度，该浓度可能因个人和活动类型而异（图3d）。在同一测试期间，与夜间相比，白天的生物能水平更高，白天手指活动提高了燃料和氧气向BFC电极的扩散速率（图3e和图3f）。这些数据进一步证明了BFC在各种白天活动中持续收集能量的能力。

图3 体内能量收集和充电

渗透性汗液驱动的传感器性能

渗透微流控生化传感平台包括三个主要组件：水凝胶、电化学传感器阵列和纸微流控通道（图4a（i））。纸通道夹在水凝胶和指尖之间，而传感器阵列则连接靠近入口的通道的薄矩形部分。水凝胶最初与乙二醇平衡，以尽量减少其含水量，并最终提高其相对于汗液的渗透强度。因此，在与指尖接触时，水凝胶通过渗透作用以非侵入性和无力的方式直接从皮肤表面抽出汗液（图4a（ii）），无需任何外部电源（如离子电渗疗法）。提取的汗液流到纸通道上，该通道有一个矩形截面以容纳传感器阵列，然后是具有高表面积的蛇形结构，以支持长时间的汗液收集（图4b）。指尖的体外测试表明，由聚乙烯醇和聚丙烯酰胺的共聚物组成的水凝胶在每单位时间内对最高汗液量进行采样时效果最佳（图4c）。研究人员测试了该平台持续监测与日常生活活动相关的四种生物标志物：维生素C、葡萄糖、乳酸和左旋多巴（图4d），该平台从指尖汗液持续监测多种生物标志物的潜力凸显了其对无创健康监测的广泛适用性。

图4 渗透性汗液驱动的传感器性能

集成指尖可穿戴微电网系统的运行

可穿戴微电网系统选择了能够在1.7 V以下工作并适用于BLE的超低功耗MCU。MCU控制四个传感器，用于数据输入、存储和BLE传输（图5a）。为了实现多路复用传感，集成系统与不同的电阻器连接，为获取每个传感器信号（如维生素C、葡萄糖、乳酸和左旋多巴）的最大分辨率量身定制。电子设备在空闲模式下工作的平均电流消耗为5 μA，ADC每30s运行一次，在广告模式、配对模式开始和配对模式期间分别为~190、325 和 200 μA（图5b）。与没有BFC的裸电池相比，连接到含有25 mM 乳酸的BFC的充满电的电池可以大大延长运行时间（通过增加240%的额外容量）（图5c）。此外，在佩戴微电网后的几个小时内没有观察到对皮肤产生副作用的迹象。虽然长时间暴露会导致皮肤出现轻微皱纹，但皮肤通常会在10min内恢复正常状态。总体而言，通过渗透抽取对多个生物标志物进行如此连续和扩展的同时监测的能力，证明了指尖集成微电网系统的高效功能和实用性，用于日常活动跟踪。

图5集成指尖可穿戴微电网系统的运行

总结

集成微电网将AgCl-Zn电池和BFC与定制设计的fPCB和四个电化学传感器相结合，用于监测汗液中重要的代谢生物标志物和药物（葡萄糖、维生素C、乳酸、左旋多巴）。可用于个性化医疗保健监测和健康管理的一系列场景。基于额外的能量收集技术（如压电或摩擦电），涉及手指运动的常见日常活动（如敲击或打字）可以进一步增强手指上的微电网的性能，以促进能量收集。电路、电池、低功耗传感模块和数据传输技术的合理设计也可以共同提高设备的使用寿命、稳定性和功能，并在整个系统中的能源产生和消耗率之间保持平衡。