DOI: https://doi.org/10.1002/advs.202411433
PMID: https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/39588557
تاريخ النشر: 2024-11-26
المؤلف: Haowei Duan وآخرون
الموضوع الرئيسي: مواد الاستشعار المتقدمة وجمع الطاقة
نظرة عامة
لقد حسنت التطورات الحديثة في أجهزة الاستشعار البيولوجية الكهروكيميائية القابلة للارتداء بشكل كبير من القدرة على الكشف عن المؤشرات الحيوية بشكل مستمر وعلى الجسم، مما يمهد الطريق للرعاية الصحية الشخصية، في الوقت الحقيقي، والوقائية. بينما كان التركيز تقليديًا على مراقبة الجلوكوز، فإن نطاق أجهزة الاستشعار القابلة للارتداء يتوسع ليشمل مجموعة أوسع من المواد الضرورية لتشخيص الأمراض وعلاجها وإدارتها. تستعرض هذه المراجعة الابتكارات الحديثة في تصميم وتصنيع هذه المنصات الاستشعارية، مع التركيز على عناصر التعرف الحيوي، وطرق نقل الإشارة، ومواد الأقطاب والركائز، وتقنيات التصنيع.
تسلط المراجعة الضوء أيضًا على تطبيقات هذه المستشعرات في الكشف عن مجموعة متنوعة من العلامات الكيميائية الحيوية، بما في ذلك الجزيئات الصغيرة، والهرمونات، والأدوية، والجزيئات الكبيرة، عبر سوائل حيوية متنوعة مثل السائل بين الخلايا، والعرق، وإفرازات الجروح، واللعاب، والدموع. بالإضافة إلى ذلك، تناقش التقدم في تقنيات الاستشعار البيولوجية الكهروكيميائية القابلة للارتداء، بما في ذلك التكامل متعدد الحواس، والتحكم في الحلقة المغلقة، وابتكارات إمدادات الطاقة. كما تتناول الورقة التحديات الحرجة مثل التوافق الحيوي، والتلوث الحيوي، وتدهور المستشعر، بينما تستكشف الفرص في علوم المواد، وتكنولوجيا النانو، والذكاء الاصطناعي للتخفيف من هذه القضايا.
مقدمة
تسلط مقدمة هذه الورقة البحثية الضوء على الإمكانات التحويلية للأجهزة التحليلية في الكشف عن المؤشرات الحيوية، لا سيما من خلال أجهزة الاستشعار القابلة للارتداء، التي أصبحت أكثر أهمية في الرعاية الصحية الحديثة لمراقبة المعلمات الفسيولوجية بشكل مستمر. تمكّن هذه المستشعرات من جمع المؤشرات الحيوية في الوقت الحقيقي من سوائل الجسم، مما يسهل الحصول على رؤى حول صحة الفرد دون الحاجة إلى زيارات متكررة للمستشفى. تتتبع الورقة تطور أجهزة الاستشعار البيولوجية الكهروكيميائية، التي اكتسبت شهرة منذ تطوير أول مستشعر حديث في عام 1962، بسبب تصغير حجمها، وفعاليتها من حيث التكلفة، وقدرتها على توفير بيانات كمية دقيقة. تعتبر أجهزة مراقبة الجلوكوز المستمرة (CGMs) مثالاً على هذه التكنولوجيا، حيث تقوم بلامركزية إدارة مرض السكري وتعزيز الوصول في البيئات ذات الموارد المحدودة.
على الرغم من نجاحها، فإن أجهزة الاستشعار الإنزيمية التقليدية محدودة في نطاق المؤشرات الحيوية التي يمكنها الكشف عنها. تناقش الورقة دمج عناصر التعرف الحيوي المتنوعة، مثل الأجسام المضادة، والأحماض النووية، والبوليمرات المطبوعة جزيئيًا، لتوسيع قدرات الكشف عن المستشعرات القابلة للارتداء. تهدف هذه المراجعة إلى تلخيص التقدمات الحديثة في أجهزة الاستشعار البيولوجية الكهروكيميائية القابلة للارتداء، مع التركيز على استخدام مستقبلات حيوية متنوعة للتحليل الجزيئي في الوقت الحقيقي. تميز نفسها عن المراجعات السابقة من خلال معالجة انتقال المستشعرات المعتمدة على المستقبلات الحيوية إلى التطبيقات على الجسم واستكشاف كل من طرق الكشف الإنزيمية والمعتمدة على الألفة. كما توضح الورقة بناء هذه المنصات الاستشعارية، وإنجازاتها في قياس مؤشرات حيوية متنوعة في سوائل حيوية مختلفة، والتحديات التي تواجهها في التطبيقات الحية، بينما تقترح اتجاهات مستقبلية للبحث في هذا المجال المتطور بسرعة.
الطرق
في هذا القسم، يناقش المؤلفون المواد والطرق الأساسية المستخدمة في تطوير أجهزة الاستشعار البيولوجية الكهروكيميائية القابلة للارتداء، مع التركيز على مواد الأقطاب والركائز، بالإضافة إلى تقنيات أخذ عينات العرق. يجب أن تظهر مواد الأقطاب موصلية عالية، وتوافق حيوي، وقدرات تثبيت فعالة للمستقبلات الحيوية. يتم تسليط الضوء على الكربون والذهب كمواد مفضلة بسبب استقرارها وخصائصها الكهروكيميائية، مع استراتيجيات مثل الطبقات الذاتية التجميع التي تسهل تثبيت المستقبلات الحيوية. بالإضافة إلى ذلك، يتم دمج مواد نانوية متنوعة، بما في ذلك الجسيمات النانوية المعدنية والجرافين، لتعزيز أداء المستشعر، على الرغم من أنه يجب معالجة المخاوف المتعلقة بالسلامة بشأن التوافق الحيوي.
تعتبر مواد الركيزة، التي تتكون أساسًا من البوليمرات الاصطناعية والهيدروجيل، ضرورية لدمج الأجهزة. تُفضل البوليمرات الاصطناعية مثل السيليكون والبولي إيثيلين تيريفثاليت بسبب مرونتها وتوافقها الحيوي، مما يمكّن من الاتصال التام مع الجلد. تواجه الهيدروجيل، على الرغم من كونها أكثر توافقًا حيويًا وفعالية في نقل السوائل، قيودًا بسبب عدم التوافق الميكانيكي مع مواد الأقطاب. يوضح القسم أيضًا طرق أخذ عينات العرق، مع التأكيد على أهمية تقنيات توليد وجمع العرق الفعالة. يُعتبر التحفيز الأيوني طريقة واعدة لتحفيز العرق بشكل متحكم فيه، بينما توفر الأجهزة الدقيقة قدرات متقدمة لجمع العرق بدقة واستمرار، على الرغم من التحديات المتعلقة بالتكلفة والتعقيد.
المناقشة
يتطلب بناء أجهزة الاستشعار البيولوجية الكهروكيميائية القابلة للارتداء اختيارًا دقيقًا للمستقبلات الحيوية، وطرق نقل الإشارة، ومواد الأقطاب، وتقنيات التصنيع لضمان الموثوقية والأداء. تلعب المستقبلات الحيوية، مثل الإنزيمات، والأجسام المضادة، والأبتاميرات، والبوليمرات المطبوعة جزيئيًا (MIPs)، دورًا محوريًا في تمكين التفاعلات الانتقائية مع المواد المستهدفة. تواجه أجهزة الاستشعار المعتمدة على الإنزيمات، على الرغم من فعاليتها لبعض المستقلبات، قيودًا في النطاق والاستقرار. تقدم الأجسام المضادة خصوصية عالية ولكنها حساسة للتغيرات البيئية، بينما تقدم الأبتاميرات مزايا في الإنتاج والتعديل ولكنها عرضة للتدهور. تواجه MIPs، على الرغم من كونها واعدة بسبب استقرارها وفعاليتها من حيث التكلفة، تحديات في الانتقائية وإمكانية التكرار.
تمتلك طرق نقل الإشارة، بما في ذلك الأمبيرومترية، والفولتامترية، وطيف الامتصاص الكهروكيميائي (EIS)، نقاط قوة وقيود فريدة. تعتبر الأمبيرومترية فعالة للمراقبة المستمرة ولكن قد تتطلب وضع علامات معقدة، بينما توفر EIS الكشف بدون علامات ولكن تعاني من انخفاض الانتقائية. تعتبر تقنيات التصنيع مثل الطباعة الحجرية، والطباعة، والميكروتدوين ضرورية لتطوير مستشعرات قابلة للارتداء وظيفيًا، حيث تقدم كل طريقة مزايا متميزة من حيث الدقة، والتكلفة، وتنوع المواد. لقد اكتسبت أجهزة الاستشعار القابلة للارتداء على الجلد، المصممة لمراقبة مؤشرات حيوية متنوعة في سوائل الجسم البشرية، زخمًا بسبب طبيعتها غير الغازية وإمكاناتها لمراقبة الصحة في الوقت الحقيقي، لا سيما في إدارة حالات مثل مرض السكري من خلال مراقبة الجلوكوز المستمرة.
DOI: https://doi.org/10.1002/advs.202411433
PMID: https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/39588557
Publication Date: 2024-11-26
Author(s): Haowei Duan et al.
Primary Topic: Advanced Sensor and Energy Harvesting Materials
Overview
Recent advancements in wearable electrochemical biosensors have significantly enhanced the capability for on-body and continuous biomarker detection, paving the way for personalized, real-time, and preventive healthcare. While glucose monitoring has traditionally been the focus, the scope of wearable biosensors is expanding to encompass a broader array of analytes essential for disease diagnosis, treatment, and management. This review critically examines recent innovations in the design and manufacturing of these biosensing platforms, focusing on biorecognition elements, signal transduction methods, electrode and substrate materials, and fabrication techniques.
The review further highlights the applications of these biosensors in detecting various biochemical markers, including small molecules, hormones, drugs, and macromolecules, across diverse biofluids such as interstitial fluid, sweat, wound exudate, saliva, and tears. Additionally, it discusses advancements in wearable electrochemical biosensing technologies, including multi-sensory integration, closed-loop control, and power supply innovations. The paper also addresses critical challenges such as biocompatibility, biofouling, and sensor degradation, while exploring opportunities in materials science, nanotechnology, and artificial intelligence to mitigate these issues.
Introduction
The introduction of this research paper highlights the transformative potential of analytical devices for biomarker detection, particularly through wearable sensors, which are increasingly vital in modern healthcare for continuous monitoring of physiological parameters. These sensors enable real-time collection of biomarkers from body fluids, facilitating insights into individual health without frequent hospital visits. The paper traces the evolution of electrochemical biosensors, which have gained prominence since the development of the first modern biosensor in 1962, due to their miniaturization, cost-effectiveness, and ability to provide accurate quantitative data. Continuous glucose monitors (CGMs) exemplify this technology, decentralizing diabetes management and enhancing accessibility in resource-limited settings.
Despite their success, traditional enzymatic sensors are limited in the range of biomarkers they can detect. The paper discusses the integration of diverse biorecognition elements, such as antibodies, nucleic acids, and molecularly imprinted polymers, to expand the detection capabilities of wearable sensors. This review aims to summarize recent advancements in wearable electrochemical sensors, focusing on the use of various bioreceptors for real-time biomolecular analysis. It distinguishes itself from previous reviews by addressing the transition of bioreceptor-based sensors to on-body applications and exploring both enzymatic and affinity-based detection methods. The paper also outlines the construction of these biosensing platforms, their achievements in measuring various biomarkers in different biofluids, and the challenges faced in in vivo applications, while suggesting future directions for research in this rapidly evolving field.
Methods
In this section, the authors discuss the critical materials and methods used in the development of wearable electrochemical biosensors, focusing on electrode and substrate materials, as well as sweat sampling techniques. Electrode materials must exhibit high conductivity, biocompatibility, and effective anchoring capabilities for bioreceptors. Carbon and gold are highlighted as preferred materials due to their stability and electrochemical properties, with strategies such as self-assembled monolayers facilitating bioreceptor immobilization. Additionally, various nanomaterials, including metallic nanoparticles and graphene, are incorporated to enhance sensor performance, although safety concerns regarding biocompatibility must be addressed.
Substrate materials, primarily synthetic polymers and hydrogels, are essential for device integration. Synthetic polymers like silicone and polyethylene terephthalate are favored for their flexibility and biocompatibility, enabling conformal contact with the skin. Hydrogels, while more biocompatible and effective for fluid transport, face limitations due to mechanical mismatches with electrode materials. The section also outlines sweat sampling methods, emphasizing the importance of effective sweat generation and collection techniques. Iontophoresis is noted as a promising method for controlled sweat induction, while microfluidic devices offer advanced capabilities for precise and continuous sweat collection, despite challenges related to cost and complexity.
Discussion
The construction of wearable electrochemical biosensors necessitates meticulous selection of bioreceptors, signal transduction methods, electrode materials, and fabrication techniques to ensure reliability and performance. Bioreceptors, such as enzymes, antibodies, aptamers, and molecularly imprinted polymers (MIPs), play a pivotal role in enabling selective interactions with target analytes. Enzyme-based sensors, while effective for certain metabolites, face limitations in range and stability. Antibodies offer high specificity but are sensitive to environmental changes, whereas aptamers present advantages in production and modification but are prone to degradation. MIPs, although promising due to their stability and cost-effectiveness, still encounter challenges in selectivity and reproducibility.
Signal transduction methods, including amperometry, voltammetry, and electrochemical impedance spectroscopy (EIS), each have unique strengths and limitations. Amperometry is effective for continuous monitoring but may require complex labeling, while EIS provides label-free detection but suffers from low selectivity. Fabrication techniques such as lithography, printing, and micromilling are crucial for developing functional wearable sensors, with each method offering distinct advantages in terms of resolution, cost, and material versatility. Epidermal wearable sensors, designed for monitoring various biomarkers in human biofluids, have gained traction due to their non-invasive nature and potential for real-time health monitoring, particularly in managing conditions like diabetes through continuous glucose monitoring.