具有人体脱水提醒功能的纸基汗液检测贴片的设计与实现

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汗液中包含多种与生理健康评估相关的生化信息,可用于人体生理信息的无创检测,能在一定程度上取代传统血液检测。其中,出汗量可反映人体脱水状况,是反映人体水合状态的重要参数之一。基于电化学分析的可穿戴汗液检测设备受限于高成本和额外供电等问题难以实现大规模的应用。作为汗液检测的重要手段之一,可穿戴微流控技术具有即时采集、原位分析、无需外界供能的优势,而倍受研究者们的关注。现有的微流控芯片检测汗液量时都是被动的,需依赖用户观察读取汗液量,自身无法主动地反馈检测信息。基于此,本文设计了一种具有人体脱水提醒功能的纸基汗液检测贴片。通过引入冷热刺激的方法,在人体出汗量到达脱水阈值前进行主动提醒(冷热温度刺激)用户补水、休息。此外,还利用比色法实现汗液中的相关生物标记物的检测,实现全面的人体生理状况分析。主要研究内容如下:1.纸基贴片的设计与制备。采用CO2激光切割制备具有蛇形线设计的纸基微流通道,并用低模量、高拉伸性的聚二甲基硅氧烷(PDMS)封装使得贴片可以很好地适用于人们日常运动中的皮肤变形,同时隔绝外界环境的影响。同时,为了解决贴片与普通医用胶带的结合难题,实现高强度的粘合性能。采用紫外臭氧处理贴片20 min,在PDMS表面产生致密的高模量氧化层(Si Ox),从而增加其与胶带粘结层的粘附力(达到6.5 N),大大提高了贴片的稳定性,保证了用户穿戴的可靠性。2.脱水提醒的实现。脱水提醒通过汗液与冷热刺激物反应实现。冷刺激提醒是由于物质的溶解吸热,而热刺激提醒是由于物质的反应放热。通过比较不同冷热刺激物的热性能,选择尿素和生石灰发热粉作为冷热刺激物。随后讨论了冷热刺激物的形态和质量,以及纸基贴片末端结构和汗液流速对热性能的影响,并选择最优参数。3.汗液的收集、分析及脱水提醒。将纸基贴片贴合于志愿者皮肤进行实验,得到其前臂的平均出汗率和后背汗液的葡萄糖浓度、p H,并在到达脱水阈值前进行两次脱水主动提醒。此外,还提出了三(多)进口结构的贴片和储液腔型贴片,可适用于出汗速率较小、行动强度较弱的人群,满足多类用户的脱水提醒要求。
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