基于纳米技术的可穿戴汗液酒精浓度检测设备

20241222

① 海藻多糖纤维表面压电纳米阵列的制备：将化学剥离后的蛭石纳米片加入海藻酸钠纺丝液，利用氯化钙水溶液作为凝固浴，采用湿法纺丝制备蛭石纳米片改性海藻酸钙微纤维，采用造纸机冷压制备增强增韧的全天然复合纤维膜材料，用作湿粘式柔性基底材料，便于后期自适应地粘附在手腕皮肤上。采用仿生矿化策略，通过海藻多糖基质的表面活性基团降低晶体的成核能垒，通过低温湿化学方法在柔性纤维膜材料表面生长高质量的纤锌矿ZnO纳米棒阵列。本项目借助极性官能团吸附银离子并原位还原为银纳米层作为预置内电极。通过控制成核位点的沉积条件、水热反应参数等调控纤锌矿纳米阵列的类型、尺寸和形态，筛选合适的矿化功能分子，利用功能分子界面对粘后引发的互锁效应增强有机-无机结构之间的界面强度并降低形变下的界面阻抗。② 异质结敏感材料的制备：拟采用液相外延法在纤锌矿纳米阵列表面构筑微结构化金属有机骨架多孔材料，选择不同的有机配体和配体比例对MOFs的孔隙结构进行调控。以Zn-HHTP为例，将ZnO纳米阵列浸入含有2,3,6,7,10,11-六羟基苯并菲和N,N-二甲基甲酰胺的混合水溶液中，调节纳米阵列在配体溶液中的相对溶解动力学和配位作用生长级次结构Zn-HHTP材料，并通过改变溶剂类型、生长参数等调控MOFs材料的组分、导电性、孔性质；在此基础上，通过原位硫化、层层生长、原位聚合等方式构建二元异质结，实现具有分子定制选择性的新型异质结敏感材料的制备。③ 分析表征方法：采用扫描电子显微镜、能谱分析、X射线衍射、比表面积与孔径分析等手段对材料的微观结构和界面组成进行分析，采用X射线光电子能谱、红外光谱研究异质界面的缺陷结构、化学键态以及异质结界面之间的相互作用，采用紫外-可见光谱和紫外光电子能谱研究异质结的能带结构，采用电化学交流阻抗谱和霍尔效应测试测量器件内的电子输运。④ 可穿戴酒精传感器的构建与性能测试：采用微电子打印机在纤锌矿异质敏感材料表面印刷不同类型的图案电极，制作双层膜型、表面两端型、表面叉指型等不同电极结构的乙醇传感器件。通过添加聚氨酯材料提高图案电极的表面黏附性能，通过控制制备工艺构筑稳定的微纳复合响应结构，采用膨体聚四氟乙烯膜封装器件以提高其稳定性，通过匹罗卡品刺激皮肤出汗增加汗液量。采用高精密传感器测试装置测量器件对乙醇、水、氨等相关分子灵敏度、选择性、稳定性以及交叉干扰性。将前期开发的微型超级电容器与多级异质结构传感模块集成，借助于微电流将毛果芸香碱递送到汗腺促进排汗，开发适用于临床诊断的快速、便携式皮肤乙醇检测装置。采用柔性综合测试平台测试应变刺激下乙醇传感器的酒敏行为，测量应变、曲度等不同条件下器件的累积电荷随时间的演化分析不同弯曲方向和应变程度下乙醇分子吸附对器件电学输出的影响，并将其稳定性与敏感材料级次复合结构关联。

我国约有5000万-6000万的酒精性肝病患者，本项目产品有助于协助酒精性肝病合并酒精成瘾个体戒酒。给酒精成瘾患者佩戴该监测装置后，其家人及医务人员可实时监测其饮酒情况。此外我国15岁以上个体中54.4%均存在饮酒的情况。对于非酒精性肝病患者，在商务应酬及社会交往饮酒时可通过佩戴该装置实时监测汗液酒精浓度并间接反映血液酒精浓度，相应地控制饮酒量或速度，有助于减少酒精对机体造成的损伤。此外本产品还可以用于醉驾服刑人员管理等，对于醉驾服刑人员，可通过佩戴该设备监测其缓刑或保外就医等情况下的饮酒情况。因此本产品的应用推广可产生客观的社会效益与经济效益，有着巨大的市场推广前景。 预期产品技术优势：项目组利用前期建立的海藻多糖研发平台，开发产品在结构上采用“下-中-上”多级异质结构设计，下层利用海藻多糖交联刺激性化合物的溶胀特性来收集汗水，中层利用纤维网络的互锁效应实现多尺度结构控制和界面匹配，上层利用MO@MOFs@MS耦合异质结效应实现信号放大，“下-中-上”多级异质结构设计将从根本上解决表皮汗液酒精传感器面临的稳定性难题。在技术上借助微电场调制技术实现效能调制，不仅利用微型超级电容器驱动刺激性化合物（如毛果芸香碱）递送到汗腺促进排汗，而且借助纤锌矿纳米阵列的本征压电性能增强器件的电学输出，结合深度学习算法将从根本上解决表皮汗液酒精传感器面临的环境干扰难题。拟开发产品相关技术具有国际先进性，目前全球范围内尚无商用产品，相关产品在领域内具有较好的竞争优势。 资源与行业经验优势：项目组所在首都医科大学附属北京地坛医院肝病中心是国内一流的肝病临床诊疗与研究团队，项目组杨松主任团队近年来一直从事酒精性肝病研究工作，建有多中心、大样本酒精性肝病患者队列，为本产期后期用于临床患者管理奠定了坚实基础。项目组前期已经成功研制了海藻多糖纤维基柔性呼吸氨检测传感器、光-气集成传感平台等多个产品并获得多项国内与国际发明专利，有丰富的科研转化经验。

将化学剥离后的蛭石纳米片加入海藻酸钠纺丝液，利用氯化钙水溶液作为凝固浴，采用湿法纺丝制备蛭石纳米片改性海藻酸钙微纤维，采用造纸机冷压制备增强增韧的全天然复合纤维膜材料，用作湿粘式柔性基底材料，便于后期自适应地粘附在手腕皮肤上。采用仿生矿化策略，通过海藻多糖基质的表面活性基团降低晶体的成核能垒，通过低温湿化学方法在柔性纤维膜材料表面生长高质量的纤锌矿ZnO纳米棒阵列，如图2所示。为了适应不同的应用场景，本项目借助极性官能团吸附银离子并原位还原为银纳米层作为预置内电极。通过控制成核位点的沉积条件、水热反应参数等调控纤锌矿纳米阵列的类型、尺寸和形态，筛选合适的矿化功能分子，利用功能分子界面对粘后引发的互锁效应增强有机-无机结构之间的界面强度并降低形变下的界面阻抗。拟采用液相外延法在纤锌矿纳米阵列表面构筑微结构化金属有机骨架（Metal organic Frameworks，MOFs）多孔材料，选择不同的有机配体和配体比例对MOFs的孔隙结构进行调控。以Zn-HHTP为例，将ZnO纳米阵列浸入含有2,3,6,7,10,11-六羟基苯并菲（HHTP）和N,N-二甲基甲酰胺的混合水溶液中，调节纳米阵列在配体溶液中的相对溶解动力学和配位作用生长级次结构Zn-HHTP材料（如图3所示），并通过改变溶剂类型、生长参数等调控MOFs材料的组分、导电性、孔性质；在此基础上，通过原位硫化、层层生长、原位聚合等方式构建二元异质结，实现具有分子定制选择性的新型异质结敏感材料的制备。采用扫描电子显微镜、能谱分析、X射线衍射、比表面积与孔径分析等手段对材料的微观结构和界面组成进行分析，采用X射线光电子能谱、红外光谱研究异质界面的缺陷结构、化学键态以及异质结界面之间的相互作用，采用紫外-可见光谱和紫外光电子能谱研究异质结的能带结构，采用电化学交流阻抗谱和霍尔效应测试测量器件内的电子输运。,课题组前期已初步完成基于海藻多糖纤维的新型汗液传感器的构建，并初步在人工汗液中检测到酒精的信号。后续申请本课题拟在后续两年的资助期间完成检测设备的优化以更精确地检测汗液酒精含量，并征募志愿者完成人体汗液与血液酒精浓度的同时检测，明确汗液酒精浓度与血液酒精浓度关联，最终完成可穿戴汗液酒精浓度检测样机制作，申请相关专利并发表高水平SCI收录论著2-3篇。

全球范围内，酗酒与酒精性肝病防控形势严峻。酒精性肝病治疗的关键是戒酒，但酒精性肝病患者往往存在酒精使用障碍，也即“酒精成瘾”，难以自主戒酒。临床医师一直希望能对于酒精成瘾的患者实时监测其体内酒精浓度，这将有助于督导患者戒酒。但现有酒精浓度监测的手段包括吹气检测和抽血检测，无法达到实时无创地监测体内酒精浓度的要求。,酒精性肝病是导致全球肝病相关死亡的首位原因。我国约有5000万6000万例酒精性肝病患者，酒精性肝硬化与肝癌等也呈逐年上升趋势。酒精性肝病的病因是过量饮酒，而控制酒精性肝病的根本在于戒酒。而酒精性肝病患者多存在酒精使用障碍，即通常所说的“酒精成瘾”，从而导致酒精性肝病患者病情持续发展至肝硬化与肝癌，最终危及患者的生命。 戒酒是酒精性肝病患者的病因治疗，现有戒酒方法包括精神心理治疗与药物治疗等。但临床上酒精性肝病患者戒酒效果并不理想，即使进展到酒精性肝硬化阶段，仍有30%60%患者不能戒酒，患者往往会偷偷饮酒或不如实报告饮酒量。因此在戒酒管理过程中如果能实时监测患者饮酒情况将对于督促患者戒酒有着重要意义。近年来基于新型生物材料的汗液电化学检测技术与可穿戴设备的进展使得实时监测体表汗液酒精含量，进而监测饮酒情况成为可能。但目前国内尚无商用的汗液酒精浓度监测可穿戴设备上市。项目申报团队是从事酒精性肝病与新型生物传感器研究的医工交叉团队，拟开发一种汗液酒精检测的可穿戴设备用于协助酒精性肝病患者的饮酒监测。除此之外，本设备还在一般人群的饮酒风险评估、酗酒犯罪患者管理等多个领域有着较好的应用前景。 拟开发产品在结构上采用“下-中-上”多级异质结构设计，拟开发产品在技术上借助微电场调制技术实现效能调制。