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可穿戴生物传感器市场前景广阔

动脉网 陈鹏
 
 
    可穿戴设备以其对人体生理信息动态、持续、实时监控的优点对我们的日常生活产生了广泛影响,在大健康行业得到关注。目前已经商业化的可穿戴设备主要是实现心电图和光电容积图测量心率,分别属于电化学和光学生物传感器两种。
    除了这两类传感器,可穿戴设备中还有更具价值的一类——生物传感器。生物传感器通过无创测量体液中的生化标志物来反映人体生理状态。这类生物标记物主要包括汗液、泪液、唾液和间质液,以及体液中的代谢物、细菌及激素等。
    可穿戴生物传感器在医疗应用中前景广泛,但在大规模商业化之前还有很多问题需要解决。美国Nature杂志对该行业的最新进展作了详细介绍,本文摘取并编译报告的部分内容,帮助大家了解可穿戴生物传感器的现状及发展趋势。
 
    2025年市场规模有望达28.6亿美元
    据来自Grand View Research的市场报告,2016年,全球可穿戴设备市场规模约为1.5亿美元,预计2025年将达到28.6亿美元。新增市场规模中的很大一部分将由可穿戴生物传感器贡献。
    尽管可穿戴无创生物传感平台的商业化速度慢于预期,但随着该项技术的突破,很多人仍看好这一设备的市场前景。
    目前,可穿戴设备主要采用物理传感器,监测使用者的行动能力和生命体征,如步数、热量消耗及心率。随着其功能从跟踪体育锻炼扩展到关注医疗保健(如糖尿病管理或对老年人的远程监控等),可穿戴设备也需进行革新。
    典型的生物传感器包含两个基本功能单元:负责选择性识别生物标志物(酶、抗体或DNA)的生物受体、负责将生物识别过程转换为有用信号的物理或化学传感器。近年来,随着无创取样及监测技术的日渐成熟,利用无创可穿戴生物传感设备替代常规的血液检测日益接近现实。这种设备具有使用便捷、有高度特异性、低成本、低功耗等优势。
    目前,可穿戴生物传感器主要分三类:表皮可穿戴生物传感器、眼部可穿戴生物传感器和口腔可穿戴生物传感器。
    表皮可穿戴生物传感器 人体的绝大部分都为皮肤所覆盖,在各类可穿戴生物传感器中,通过皮肤来接触人体的表皮可穿戴生物传感器受关注度最高。
    表皮可穿戴生物传感器可在皮肤表面对汗液或间质液采样,并对其中的生物标志物进行实时分析或连续监控。此类传感器通常依赖于生物受体,以生物催化和离子识别标志物,并以光学、电化学或机械等不同的传导模式相结合。目前,电化学和色差是两种主要的传导模式。
    目前,表皮可穿戴生物传感器已研发成功,常见的传感器集成方式有电子皮肤、临时打印的纹身、腕带、贴片或直接嵌入纺织品等。这些集成方式可以确保传感器与皮肤紧密接触,并在身体运动时承受机械压力。
    眼部可穿戴生物传感器 泪液也是一种可用来监测人体生理状态的生物液体。泪液中的生物标志物分子直接从血液中扩散出来,加上泪-血闭环,体现了与血压中标志物浓度的关联。泪液是眼睛防污机制的一部分,成分不如血液复杂,这些特性使得泪液对无创监测及诊断来说更具吸引力。
    口腔可穿戴生物传感器 唾液中的许多生物标志物通过参与体内血液循环,以细胞转运或细胞间传输的方式进入唾液,使唾液能够反映人体生理状态,是一种理想的可替代血液进行分析的体液。
    此外,唾液中有较高的蛋白质含量,适合检测其中与疾病和应激相关的生物标志物,在生物医学和健康监测中具有重要的应用价值。
 
    技术及商业化进程仍存挑战
    目前,可穿戴生物传感器仍处于概念阶段,距实际应用还有一定距离,此类设备在检测范围、有效性、稳定性、准确性、供电、通信、安全与隐私方面还存在许多挑战。
 
    更广泛的生物标志物测量
    目前,大多数可穿戴生物传感器只可测量少量生物标志物。未来,业界应努力推出新的生物传感器格式,以及更好的无创生物体液取样方式,用以监测更广泛的生物标志物种类。
    了解每一种生物体液的组成,及其与某些疾病的关系,对于提升医疗保健领域中对可穿戴技术的认可,以及扩大此类设备的临床应用至关重要。
    无创体液取样中标志物水平与同时期标志物在血液中浓度的实时关联是取样获得认可的关键指标。在真实世界中对生物传感器读取进行严格和可再现的解释正在进行中,特别是在可能需要临床响应或操作响应的应用中。
    未来,为识别新的生物标志物,我们需要对每一种不同生物体液的组成进行系统、深入的分析。
    同样,除了现有的体液类型,应尝试从新的体液类型上寻找机会。这种对更大范围生物标志物的实时分析也将使生物医学的其他领域受益,如由生物标志物引导的新实验疗法的临床开发。
 
    准确性和稳定性
    确保可穿戴生物传感器响应的准确和可靠,对其市场接受度的提升至关重要。可穿戴生物传感器的准确性常受表面污染效应的影响,而表面污染效应是影响传感器连续工作的主要因素。
    为确保传感器长时间佩戴的可靠性,坚固的抗污染表面保护是必要的。
    基于唾液的口腔生物传感器会受到大量的生物污染。因此,口腔生物传感器需特别关注表面保护涂层,应慎重选择传感器涂层材料,以减少生物污染的影响,并排除电活性干扰。同时,可在传感器表面添加酶,避免传感器上潜在有毒成分的泄漏。
    与传统的基于实验室的生物传感器不同,可穿戴生物传感器在不受控制的环境中进行长时间户外活动时,可能会影响生物传感的稳定性。为确保佩戴过程中测量的准确性,还需注意来自周围环境的潜在污染、与陈旧体液的混合、涉及相关传感器校准的连续信号漂移等影响因素。
 
    系统集成和硬件
    对硬件、供电和通信问题的关注对此类传感器的实际应用至关重要。
    硬件组件必须与生物传感器平台高度集成,并根据特定应用需求进行修改。包含全功能微控制器的印刷式无线电路板因具有灵活性和较好的成本效益而被广泛应用,这种印刷电路板可与电池集成。
    可穿戴设备的另一功能上的关键要求是在连续监控期间保持低功耗,以便为佩戴者或其他终端用户提供有用且及时的信息。这可能需要在能量消耗和数据速率间进行权衡,特别是在需要高采样频率时,对采集的数据进行高效处理及安全、有效的通信非常重要。
    为可穿戴生物传感平台供电的最常见方式是锂离子电池或碱性电池供电。然而,它们体积庞大,可能会引起毒性问题,特别是基于锂离子的系统。目前,电池已能够使用柔性材料,以提供更好的可穿戴性能。
    随着多路复用传感平台对供电需求的提升,可穿戴传感器供电技术的进步成为重要需求。这一需求可通过供电和更节能设备的开发,以及减少能源需求的自适应算法来弥补。
    可穿戴生物传感器在商业市场中面临与其基本操作功能相关的一些障碍。
    首先,可穿戴设备必须克服在不受控制的条件下长时间工作带来的稳定性问题,以及生物污染、生物识别组分本身固有的不稳定性等问题。
    其次,设备必须能够在无需经常校准的前提下可靠地运行。因此,传感器的研发必须保证较高的生物受体稳定性,以保持响应的准确性和可靠性。
    第三,还需要适当的流体取样系统,如微流控技术的应用,以在传感器上实现生物液体的有效传输,确保可再现、准确的信号,以及可忽略的样本污染。这种先进的可穿戴流体系统还可促进多步骤生物亲和测定,特别是对免疫测定而言。对长时间使用的可穿戴设备来说,免疫传感器的再生是另一个需克服的挑战。
    完全集成化的可穿戴生物传感平台需结合有供电功能的无线电子设备,以便数据处理和信号的安全传输。此外,移动终端和基于智能手机的显微镜的使用等,有望促进光学可穿戴生物传感器响应的读出。
    考虑到上述挑战的存在,我们对可穿戴生物传感器技术及其将如何改善我们健康水平的了解才刚开始。
    未来的可穿戴生物传感器将有多种形态,从腕带到纺织品或时尚配件,并逐渐融入佩戴者的日常生活。鉴于可穿戴生物传感器领域中的竞争性研究和巨大的商业机会,我们有理由期待该行业在不久的将来出现新的发展。可穿戴传感器市场预计会快速增长,此类设备也将在未来提高人们的健康生活质量。
 
(摘自中国医药报)
 
 
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