深圳大學(xué)：可穿戴微針貼片-用于抗利尿激素紊亂綜合癥智能早期預(yù)警

我國(guó)正面臨嚴(yán)重的人口老齡化問題，跌倒已成為65歲以上老年人因傷害死亡的主要原因。夜間頻繁排尿（夜尿癥）顯著增加了老年人跌倒的風(fēng)險(xiǎn)，通常需要依賴合成抗利尿藥物（如去氨加壓素）進(jìn)行治療，但這些藥物可能引發(fā)抗利尿激素紊亂綜合征（SIADH），導(dǎo)致體液潴留和鈉離子、尿酸平衡紊亂，甚至引發(fā)嚴(yán)重不良反應(yīng)。傳統(tǒng)抽血檢測(cè)方法在獲取鈉離子和尿酸時(shí)存在不便及感染風(fēng)險(xiǎn)，而基于微針提取組織液的生物傳感技術(shù)為微創(chuàng)、無(wú)痛的體內(nèi)鈉離子檢測(cè)提供了新思路。然而，目前組織液提取量較低、耗時(shí)長(zhǎng)且成分復(fù)雜，給鈉離子和尿酸的即時(shí)檢測(cè)帶來(lái)了挑戰(zhàn)。因此，研發(fā)如何實(shí)現(xiàn)快速、高效的組織液提取及便捷的鈉離子和尿酸檢測(cè)技術(shù)，具有重要的臨床價(jià)值，尤其在使用去氨加壓素時(shí)可有效預(yù)警藥物的不良反應(yīng)。

為了應(yīng)對(duì)這一挑戰(zhàn)，深圳大學(xué)蘇磊教授課題組研發(fā)了一種卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)（CNN）增強(qiáng)的智能可穿戴微針陣列比色傳感器（WMNC），能夠獨(dú)立檢測(cè)體內(nèi)組織液中的鈉離子和尿酸水平變化。該傳感器利用負(fù)壓輔助微針陣列集成紙基比色檢測(cè)系統(tǒng)，以實(shí)現(xiàn)高效、無(wú)創(chuàng)的組織液（ISF）采集與分析。相關(guān)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"為題發(fā)表在《Aggregate》期刊上。這項(xiàng)研究的主要貢獻(xiàn)者包括謝媛婷、李凱迪、劉靜、周映、張創(chuàng)杰、于艷。通訊作者為北京醫(yī)院的王建龍教授、深圳大學(xué)醫(yī)學(xué)部生物醫(yī)學(xué)工程學(xué)院的蘇磊教授和深圳大學(xué)的張學(xué)記講席教授。深圳大學(xué)為該論文的第一通訊單位。

團(tuán)隊(duì)使用摩方精密面投影微立體光刻（PμSL）3D打印技術(shù)（nanoArch®S140，精度：10μm）對(duì)雙通道空心微針陣列進(jìn)行打印，實(shí)現(xiàn)了高精度的微針和空心通道打印效果，確保其檢測(cè)性能、機(jī)械強(qiáng)度和重復(fù)使用性（如圖2所示）。

通過(guò)特定的酶催化系統(tǒng)，比色紙作為傳感單元與鈉離子和尿酸等目標(biāo)分析物反應(yīng)，產(chǎn)生明顯的顏色變化（如圖3所示）。研究結(jié)果表明，在特定濃度范圍內(nèi)，顏色變化與分析物濃度呈線性關(guān)系，同時(shí)通過(guò)智能手機(jī)拍攝的圖像分析獲得了相應(yīng)的紅、綠、藍(lán)（RGB）值。

研究人員探討了不同照明條件對(duì)WMNC傳感器比色分析結(jié)果的影響，并展示了自主設(shè)計(jì)的卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)（CNN）模型對(duì)非標(biāo)準(zhǔn)環(huán)境光源下顯色結(jié)果的分類能力。結(jié)果表明，不同色溫和照度會(huì)顯著影響檢測(cè)結(jié)果的RGB值，干擾檢測(cè)準(zhǔn)確性。為此，團(tuán)隊(duì)利用CNN模型學(xué)習(xí)多種光照條件下的比色圖像，有效減少誤差，實(shí)現(xiàn)了對(duì)鈉離子和尿酸濃度的快速、準(zhǔn)確分類，提高了比色檢測(cè)在POCT應(yīng)用中的可靠性和實(shí)用性（見圖4、圖5）。

總結(jié)：本研究介紹了一種集成了CNN增強(qiáng)型比色法的智能可穿戴微針貼片傳感器，用于抗利尿激素分泌綜合征的早期預(yù)警。該傳感器通過(guò)負(fù)壓輔助的空心微針陣列和內(nèi)置比色傳感單元，在多種光照條件下能高效、快速、準(zhǔn)確地檢測(cè)間質(zhì)液中鈉離子和尿酸的變化，為個(gè)人化醫(yī)療和遠(yuǎn)程患者監(jiān)護(hù)提供了新的可能性。