可穿戴微流控生物传感器：实时监测工人水合状态的创新突破

在当今社会，气候变化引发的极端高温对人类健康构成了严重威胁，尤其是从事体力劳动的工人，他们长时间暴露在高温环境中，面临着热应激和脱水的风险，这不仅影响工作效率，还可能导致一系列急性和慢性健康问题。在此背景下，来自 Epicore Biosystems, Inc 和 Querrey - Simpson Institute for Bioelectronics 等机构的研究人员，在npj Digital Medicine期刊上发表了题为 “Wearable microfluidic biosensors with haptic feedback for continuous monitoring of hydration biomarkers in workers” 的论文，为解决这一问题提供了创新性的解决方案。这一研究成果对于保障工人健康、提高工作场所安全性具有重要的现实意义，有望推动可穿戴设备在健康监测领域的广泛应用。

一、研究背景

随着全球气候变暖，极端高温天气愈发频繁。对于从事体力劳动的工人而言，他们在高温环境下作业时，身体会通过出汗来调节体温，以维持正常的生理功能。然而，过度出汗若得不到及时补充，会导致脱水，进而引发热应激反应，如中暑、热衰竭等。长期处于热应激状态下，还与心血管疾病、呼吸系统疾病以及肾脏疾病等多种慢性疾病的发生密切相关。据统计，在热带地区的低收入和中等收入国家，由于高温和繁重的体力劳动，加上安全法规有限，工人面临的热暴露和脱水风险极高。

在工作场景中，室内可能存在辐射热源，个人防护装备（PPE）内通风不畅，进一步加剧了热应激的危害。同时，工人往往难以准确感知自身的水分流失情况，当口渴感出现时，身体可能已经处于一定程度的脱水状态，此时身体的生理和认知功能可能已经受到影响。传统的热应激管理策略，如监测局部湿球黑球温度（WBGT）或参考天气模式和热指数，存在诸多局限性。这些方法需要专业人员进行操作和解读，且无法提供个性化的干预措施。基于尿液样本分析的方法虽然能反映个人的水合状态，但获取尿液不便，且只能提供某个时间点的信息，无法实现连续监测。

近年来，电化学传感器和微型化生物电子学的发展为实时、无创监测汗液动态和生物标志物提供了可能。然而，现有的汗液传感设备仍存在诸多不足，如无法实时提供自主反馈、未整合多种环境数据、不适合在极端环境下使用等。因此，开发一种能够在复杂工作环境中实时、连续监测工人水合状态的设备迫在眉睫。

二、研究材料与方法

（一）EBS 设备的设计与制作

研究人员设计并制作了一种多模态可穿戴电化学 / 生物物理传感（EBS）设备。该设备由一次性微流控基板和可重复使用的电子模块组成。微流控基板采用标准的模切、激光切割和电极印刷技术制造，包含多层材料，如用于收集汗液的图案化皮肤粘合剂、测量汗液盐度和体积的超薄柔性 Ag/AgCl 电极阵列、热塑性聚氨酯制成的多层微流控通道等。电子模块则通过自动化的贴片工艺，将微型化电路元件组装在优化的 PCB 板上，包括跨阻放大器电路、双温度传感器、加速度计、触觉电机、微控制器和纽扣电池等。

（二）有限元分析

运用有限元分析方法，在 COMSOL 6.1 软件中对 EBS 设备在不同环境温度下的传热情况进行模拟。通过建立三维模型，研究热传导和自然对流对温度传感器响应的影响。模型中考虑了皮肤组织、外部传感器封装和内部传感器组件等，并对相关参数进行了设定，如环境温度、对流系数以及各材料的热导率、比热容和质量密度等。

（三）实验测试

台式测试：使用注射器泵将已知钠浓度和温度的盐水以一定流速注入 EBS 设备，在不同温度下进行测试。通过监测设备记录的实时局部流体体积和钠浓度数据，分析设备在模拟汗液流动情况下的性能，并推导环境温度对测量流体电导率影响的校正因子。
人体测试：招募年龄在 18 - 60 岁之间的志愿者参与实验，实验获得相关伦理委员会批准。志愿者在实验前需遵循特定准备要求，如避免饮酒和使用药物等。实验过程中，志愿者穿着防护服从事模拟工作活动，如在跑步机上跑步。同时，使用 EBS 设备以及传统的汗液收集、心率和温度传感设备进行数据采集。通过比较 EBS 设备与传统方法测量的汗液参数，评估 EBS 设备的准确性。
房间热量计测试：部分志愿者在房间热量计内穿着 EBS 设备进行规定任务，测量氧气消耗、二氧化碳产生和代谢率，并与 EBS 设备捕获的运动数据进行比较，以表征代谢工作。

三、研究结果

（一）电化学 / 生物物理传感设计与架构

EBS 设备的微流控基板通过特定设计，能够有效收集皮肤表面的汗液。其电极阵列与微流控通道协同工作，可测量汗液的电导率（与钠浓度相关）和填充体积随时间的变化。电子模块中的各种传感器，如温度传感器可测量皮肤温度和远端温度，加速度计可估计运动，触觉电机能根据汗液流失阈值提供实时触觉反馈。设备的电池续航能力较强，在工业工作环境下可持续使用超过 1000 小时，在运动和健身场景下甚至可使用 1 - 2 年。

（二）汗液流失、钠浓度和热效应的台式表征

通过台式测试，研究人员发现 EBS 设备测量的流体体积与已知流体体积之间具有良好的相关性，并且在广泛的生理相关钠浓度范围内，测量的钠浓度与实际浓度之间也有较高的相关性。尽管基于阻抗的方法在测量真实汗液中的钠浓度时可能会因其他离子的存在而产生高估，但在低钠浓度下，这种影响可通过食物摄入补充电解质来降低对详细电解质监测的需求。同时，研究还得到了温度校正因子，将其纳入设备固件后，可有效补偿温度对钠浓度测量的影响。

（三）EBS 设备的人体现场研究

活动水平评估：通过对加速度计数据的处理，EBS 设备计算出的活动得分与房间热量计测量的代谢率趋势相似，表明该设备能够有效跟踪佩戴者的运动强度。
皮肤温度测量：EBS 设备测量的皮肤温度与传统温度传感器测量结果相比，虽然存在一定差异，但整体趋势和动态相似。在模拟不同环境条件下，EBS 设备测量的皮肤侧温度与真实皮肤温度在大多数情况下相差在 1°C 以内。
热通量估计：EBS 设备通过垂直方向的皮肤和远端温度传感器，能够准确估计热通量响应。其温度传感器测量的温差与商用热通量监测设备测量的热通量之间具有很强的匹配性，可实时估计小的温度梯度（<0.1°C）。
汗液参数测量准确性：与标准技术相比，EBS 设备测量的汗液钠浓度、局部汗液体积和全身出汗率与传统方法测量结果具有良好的相关性。这表明 EBS 设备在测量全身汗液动态和生物组成指标方面具有较高的实用性。

四、研究结论与讨论

本研究成功开发了一种多模态可穿戴 EBS 设备，该设备能够实时、连续地监测工人的全身汗液流失、钠浓度和钠流失等关键水合生物标志物，同时结合皮肤温度、热通量和运动数据，为工人的热应激管理提供了全面的生理信息。通过台式测试和人体现场研究，验证了该设备在极端环境下的准确性和可靠性。其内置的触觉反馈模块可在工人汗液流失达到关键阈值时及时提醒，有助于预防脱水和热应激的发生。

此外，EBS 设备的硬件、移动应用程序和云平台之间的协同工作，实现了数据的实时传输和分析。管理人员可通过云平台查看多个工人的汇总数据，了解整体水合情况和生理趋势，及时调整工作安排和安全措施。这一系统架构为工业工人和健康安全人员提供了一个简单而动态的平台，使他们能够采取有效的行动来预防热应激和脱水风险。

该研究成果具有重要的意义。从健康角度来看，它为预防工人因热应激和脱水导致的健康问题提供了有效的手段，有助于保障工人的身体健康。从工作效率方面考虑，及时的水合干预可以减少因身体不适导致的工作效率下降，提高工作场所的生产力。在未来，随着可穿戴技术的不断发展，EBS 设备有望进一步优化和推广，应用于更多领域，如体育训练、户外运动等，为人们的健康和安全提供更加全面的保障。