深圳大学苏磊课题组《Aggregate》：可穿戴微针贴片-用于抗利尿激素紊乱综合症智能早期预警
发布日期：2024-11-01
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我国正面临严重的人口老龄化问题，跌倒已成为65岁以上老年人因伤害死亡的主要原因。夜间频繁排尿（夜尿症）显著增加了老年人跌倒的风险，通常需要依赖合成抗利尿药物（如去氨加压素）进行治疗，但这些药物可能引发抗利尿激素紊乱综合征（SIADH），导致体液潴留和钠离子、尿酸平衡紊乱，甚至引发严重不良反应。
传统抽血检测方法在获取钠离子和尿酸时存在不便及感染风险，而基于微针提取组织液的生物传感技术为微创、无痛的体内钠离子检测提供了新思路。然而，目前组织液提取量较低、耗时长且成分复杂，给钠离子和尿酸的即时检测带来了挑战。因此，研发如何实现快速、高效的组织液提取及便捷的钠离子和尿酸检测技术，具有重要的临床价值，尤其在使用去氨加压素时可有效预警药物的不良反应。
图1. 可穿戴微针贴片-用于抗利尿激素紊乱综合征智能早期预警示意图
为了应对这一挑战，深圳大学苏磊教授课题组研发了一种卷积神经网络（CNN）增强的智能可穿戴微针阵列比色传感器（WMNC），能够独立检测体内组织液中的钠离子和尿酸水平变化。该传感器利用负压辅助微针阵列集成纸基比色检测系统，以实现高效、无创的组织液（ISF）采集与分析。相关成果以“A smart lab on a wearable microneedle patch with convolutional neural network-enhanced colorimetry for early warning of syndrome of inappropriate antidiuretic hormone secretion”为题发表在《Aggregate》期刊上。这项研究的主要贡献者包括谢媛婷、李凯迪、刘静、周映、张创杰、于艳。通讯作者为北京医院的王建龙教授、深圳大学医学部生物医学工程学院的苏磊教授和深圳大学的张学记讲席教授。深圳大学为该论文的第一通讯单位。
团队使用摩方精密面投影微立体光刻（PμSL）3D打印技术（nanoArch® S140，精度：10μm）对双通道空心微针阵列进行打印，实现了高精度的微针尖端和空心通道打印效果，确保其检测性能、机械强度和重复使用性（如图2所示）。
图2. 可穿戴微针阵列比色(WMNC)传感器的设计、组装和表征
通过特定的酶催化系统，比色纸作为传感单元与钠离子和尿酸等目标分析物反应，产生明显的颜色变化（如图3所示）。研究结果表明，在特定浓度范围内，颜色变化与分析物浓度呈线性关系，同时通过智能手机拍摄的图像分析获得了相应的红、绿、蓝（RGB）值。
图3. WMNC 传感器的比色检测效果
研究人员探讨了不同照明条件对WMNC传感器比色分析结果的影响，并展示了自主设计的卷积神经网络（CNN）模型对非标准环境光源下显色结果的分类能力。结果表明，不同色温和照度会显著影响检测结果的RGB值，干扰检测准确性。为此，团队利用CNN模型学习多种光照条件下的比色图像，有效减少误差，实现了对钠离子和尿酸浓度的快速、准确分类，提高了比色检测在POCT应用中的可靠性和实用性（见图4、图5）。
图4. 评估光照条件对比色分析的影响
图5. 自研CNN模型的钠离子、尿酸分类识别性能
总结：本研究介绍了一种集成了CNN增强型比色法的智能可穿戴微针贴片传感器，用于抗利尿激素分泌综合征的早期预警。该传感器通过负压辅助的空心微针阵列和内置比色传感单元，在多种光照条件下能高效、快速、准确地检测间质液中钠离子和尿酸的变化，为个人化医疗和远程患者监护提供了新的可能性。
本研究得到科技部国家重点研发计划、深圳市科技创新局、深圳大学的支持。
原文链接：https://doi.org/10.1002/agt2.671
