ACS NANO：一种基于隐形皮肤纳米纹身的智能可穿戴传感器

摘要：父母对新生儿黄疸的担忧可归因于黄疸的高发病率，黄疸是婴儿出生头几天住院的主要原因，以及晚期治疗造成的毁灭性并发症。黄疸/高胆红素血症影响60%以上的足月婴儿和80%的早产儿，是一种新生儿疾病，由于体内器官中过量胆红素（BIL）的积聚，皮肤和眼白变黄，并伴有其他

第一作者：Raziyeh Sadat Tabatabaee

通讯作者：Hamed Golmohammadi

通讯单位：伊朗化学与化学工程研究中心，弗莱堡大学

DOI: 10.1021/acsnano.4c06191

父母对新生儿黄疸的担忧可归因于黄疸的高发病率，黄疸是婴儿出生头几天住院的主要原因，以及晚期治疗造成的毁灭性并发症。黄疸/高胆红素血症影响60%以上的足月婴儿和80%的早产儿，是一种新生儿疾病，由于体内器官中过量胆红素（BIL）的积聚，皮肤和眼白变黄，并伴有其他症状，如淡黄色尿液、食欲不振、疲劳和皮肤瘙痒。

BIL是一种四吡咯橙/黄色胆汁色素，主要在肝脏中产生，是血红素酶促分解代谢过程中老化红细胞分解/降解的最终产物。一般来说，BIL在人体体液中有两种形式：结合/直接BIL，它是亲水性的，因此很容易在尿液和粪便中排泄；非结合/间接BIL是新生儿黄疸的主要原因，它是疏水性的，包括血清BIL的主要部分。

在新生儿黄疸（新生儿黄疸）条件下，新生儿血液中总BIL（直接和间接BIL之和）在出生后12小时内的水平超过正常水平（约1 mg dL-1），并升至5 mg dL-1以上。如果不及时诊断和治疗，新生儿高胆红素血症不受控制或迅速升级，可能会使婴儿面临许多并发症的风险，并可能造成无法弥补的长期后果，如核黄疸、急性BIL脑病、舞蹈手足徐动症脑瘫、耳聋甚至死亡。据估计，仅在2010年，就有114000多名婴儿丧生，63000多名儿童还因新生儿黄疸而遭受长期神经损伤。即使在今天，尽管在医疗保健方面取得了重大进展，但新生儿黄疸的高死亡率（新生儿早期（0-6天）为1309/100000活产）仍被认为是低收入国家新生儿早期死亡和脑损伤的主要原因之一。

鉴于新生儿黄疸早期诊断和治疗监测的必要性，以及BIL监测在肝炎、吉尔伯特综合征、肝或胰腺功能障碍以及其他BIL诱导的神经系统疾病患者中的重要性，迄今为止，已经开发了各种用于BIL检测的诊断/分析技术，包括光学、电化学和色谱方法。尽管如此，除了需要有毒试剂以及相对复杂、高成本和笨重的设备，以及训练有素的人力来进行测试和解释结果外，最常提到的BIL检测方法的主要局限性之一是它们依赖于侵入性和大容量血液采样，这极大地限制了它们在护理点（POC）中的应用。在这方面，近年来，已经开发了各种诊断/分析方法，可以通过皮肤、尿液、唾液和眼泪对BIL进行无创监测。然而，这些非侵入性BIL传感器与血液成分和水平、环境污染和检测滞后时间的相关性较低，导致其准确性、精确度和可靠性低于基于血液的BIL检测，后者仍被视为BIL检测的金/参考方法。例如，除了需要复杂和昂贵的仪器外，经皮胆红素计作为婴儿BIL监测最常见的无创传感器的结果还受到肤色/色调、年龄、血红蛋白（作为真皮中与BIL吸光度竞争的主要可见光吸收剂）、身体部位（如额头、肩胛间区和胸骨）和所用仪表品牌的极大影响。此外，由于其传感机制的不可逆性和/或其传感设备（读出系统）的低性能，大多数开发的BIL传感器无法连续实时监测BIL。
一般来说，即使是迄今为止开发的最高效的比尔传感器，尽管其自身具有优势，但也只能满足世界卫生组织关于理想诊断设备的一些标准，即REASSURED（实时连接（R）、易于标本采集（E）、经济实惠（a）、敏感（S）、特异性（S））、用户友好（U）、快速和稳健（R），无设备或简单，环境友好（E）和可交付给最终用户（D））。然而，只有符合世界卫生组织所有合理标准的诊断设备才能在医疗保健4.0/数字医疗时代发挥有效作用，尤其是在实现智能诊断方面。近年来，随着各个领域的进步，通过克服传感挑战，有前景和突破性的诊断传感平台，特别是可穿戴传感器，已经发展成为下一代智能和理想的传感器。

因此，在Industry 5.0/Healthcare 5.0前夕，诊断传感器的开发被认为是该领域的一个重大进展，该传感器在满足世界卫生组织所有合理标准的同时，可以无创/微创地用于POC的比尔周期性和连续监测，旨在实现新生儿黄疸的智能早期诊断及其治疗监测。

在采用非侵入性或微创提取技术的体液中，间质液（ISF）因其通过血液毛细管过滤形成而具有血浆样成分，已被证明是许多生物传感和诊断应用中血液的有效和有前景的替代品。有趣的是，ISF不仅是与血液最相似的生物流体（成分相似性超过60%），而且比血液具有许多无与伦比的优势，包括非侵入性/微创取样，提供组织状态的局部信息（不需要活检，由于血液基蛋白浓度较低，分析更简单，由于缺乏凝血因子，能够连续监测生物标志物）。

皮肤ISF微创提取最常见的透皮方法之一是使用微针（MN）（长度小于1000 μm的微米级针），因为它们简单、生物相容、高效、易于给药、无感染风险、微创无痛。然而，低提取量和长采样时间，以及在可膨胀MN贴片中进行后收集操作的必要性、高度脆弱性、皮肤破裂风险和中空MN的高成本是限制这些类型MN在基于ISF的传感应用中进一步发展的主要障碍。

为了避免上述问题，一种创新且有前景的方法可能是通过将生物传感器嵌入皮肤真皮层，使用溶解的聚合物MN与ISF直接接触，从而制造皮肤纹身。事实上，通过将比色/荧光试剂输送到皮肤真皮层中，可重复和可控地形成皮肤纹身生物传感器，使其能够直接访问ISF，从而有可能用于实时、连续和长期监测体内与健康相关的生物标志物。此外，由于皮肤角质层下形成的皮肤纹身生物传感器是一种强大的天然保护屏障，汗液和真菌、细菌、雨水和化学物质等外部和环境因素不会污染所制造的皮肤纹身传感器并影响其结果。

本文亮点

1. 为了制造一种用于新生儿黄疸早期诊断及其治疗监测的智能可穿戴传感器，本工作报告了一种荧光皮肤纳米纹身，该纹身进一步与物联网集成的可穿戴光电阅读器结合，用于微创、连续和实时监测间质液中的胆红素（BIL）。

2. 在用于黄疸光疗的蓝光照射下，由装载有荧光碳量子点的生物相容性溶解/水凝胶微针组成的皮肤纹身传感器的淬灭荧光选择性恢复用于高选择性BIL传感。

3. 智能可穿戴纹身传感器的迷人功能及其与血液BIL结果高度相关的成功结果使其成为一种非常有前景的传感器，用于在护理点进行简单、微创、可靠和智能的电子诊断，以及对黄疸和其他BIL引起的疾病的持续治疗性电子监测。

图文解析

图1. （A）荧光MN贴片制造过程的示意图。（B-E）分别在日光和紫外光下制作的荧光MN贴片的数字图像。（F，G）在日光和紫外光下制造的荧光MN贴片的光学显微图像。（H，I）所制备的荧光MN贴片的SEM图像。

图2.（A，B）荧光皮肤纹身生物传感器形成过程的示意图，该过程遵循（A）在皮肤中应用制造的荧光MN贴片，随后（B）溶解MN的尖端并在皮肤真皮层中释放荧光CQD。（C，D）在大鼠皮肤中形成的荧光皮肤纹身的数字图像。（E，F）H和E染色的大鼠皮肤组织（E）在皮肤上应用/纹身荧光MN贴片之前和之后的组织病理学显微照片。（G、H）SEM和（I）在皮肤中施用后所制备的荧光MN贴片的光学显微镜图像。（J）在纹身形成后的不同时间（立即（0分钟）至24小时）拍摄的人类参与者皮肤上形成的皮肤纹身的延时图像。（K）间接比色MTT法用于研究GelMA、CQDs和GelMA-CQDs的体外细胞毒性。蓝线表示ISO 10 993-5制定的指导方针/规范，根据该指南/规范，细胞存活率超过70%的百分比被视为非细胞毒性。

图3. （A-B）在470 nm蓝光存在下，BIL发生光异构化和光氧化过程后，使用开发的荧光皮肤纹身生物传感器对BIL进行选择性荧光检测的推荐生物传感策略的示意图。（C） BIL（10 mg dL-1）（a）暴露于470 nm蓝光照射之前和之后的紫外-可见吸收光谱。在暴露于470 nm蓝光照射之前和之后，在（c）不存在和（d）存在10 mg dL-1 BIL的情况下合成的CQD（λex=365 nm）的FL光谱。

图4. （A）制造的智能可穿戴光电阅读器原型（附在婴儿模型上）及其工作原理的图像，以及（B）其组件。（C）我们开发的移动应用程序的图像：从左到右，每个光通道中制造的智能可穿戴光电阅读器的光谱数据，470 nm光通道中光谱数据公式化的步骤，使用相关的校准方程量化ISF的BIL浓度和相应的血液BIL浓度，以及数据共享。（D）制造的智能穿戴阅读器的示意图。

图5. （A）使用开发的SWTS对大鼠皮肤中BIL进行离体荧光检测的校准曲线。（C）使用开发的SWTS（Y轴）对8只先前受胆汁淤积性黄疸影响的大鼠进行体内ISF BIL监测的结果与使用总BIL比色测定试剂盒作为临床诊断实验室常用的分光光度参考方法测定血液BIL的血液BIL浓度的分析结果之间的相关性（X轴）。（D）所开发SWTS的可逆性实验。通过在相同条件下取三个测试（n=3）的标准偏差来获得误差条。