대사산물과 영양소 모니터링을 위한 웨어러블 전기화학 바이오센서

Nature Biomedical Engineering 6권, 페이지 1225–1235(2022)이 기사 인용

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측정항목 세부정보

땀 속 대사산물을 지속적으로 모니터링하기 위한 웨어러블 비침습적 바이오센서는 일반적으로 격렬한 운동 중에 충분히 높은 농도의 몇 가지 분석물을 감지하여 충분한 양의 생체유체를 생성할 수 있습니다. 여기서 우리는 신체 운동 중 땀과 휴식 중 땀에서 모든 필수 아미노산과 비타민을 포함한 미량 수준의 다양한 대사산물과 영양소를 지속적으로 분석하기 위한 웨어러블 전기화학 바이오센서의 설계와 성능을 보고합니다. 바이오센서는 현장에서 반복적으로 재생될 수 있고, 대사산물 특이적 항체와 같은 분자 각인 폴리머 및 산화환원 활성 리포터 나노입자로 기능화되고, 이온삼투 기반 땀 유도, 미세유체 땀 샘플링, 신호 처리 및 교정 및 무선 통신. 자원봉사자의 경우 바이오센서를 사용하면 신체 운동 중 아미노산 섭취량과 그 수준을 실시간으로 모니터링할 수 있을 뿐만 아니라 대사 증후군 위험을 평가할 수 있습니다(혈청과 땀의 아미노산 수준을 연관시켜). 비정상적인 건강 상태를 조기에 식별하기 위한 대사산물 모니터링은 정밀 영양 분야의 적용을 촉진할 수 있습니다.

순환하는 영양소는 전반적인 건강과 신체 기능에 대한 필수 지표입니다1. 아미노산(AA)은 식이 섭취와 장내 미생물 합성을 통해 공급되고 개인 생활 방식에 영향을 받으며 다양한 건강 상태에 대한 중요한 바이오마커입니다(그림 1a)2. 류신(Leu), 이소류신(Ile) 및 발린(Val)을 포함한 높은 분지쇄 아미노산(BCAA)은 비만, 인슐린 저항성 및 제2형 당뇨병(T2DM), 심혈관 질환(CVD)의 향후 위험과 관련이 있습니다. 및 췌장암3,4,5. AA(예: 아르기닌 및 시스테인)의 결핍은 면역 세포 활성화를 감소시켜 면역 체계를 방해할 수 있습니다6. 트립토판(Trp), 티로신(Tyr) 및 페닐알라닌(Phe)은 각각 세로토닌 및 카테콜아민 신경 전달 물질(도파민, 노르에피네프린 및 에피네프린)의 전구체이며 복잡한 신경계 기능 및 정신 건강에 중요한 역할을 합니다7,8. 다양한 대사 지문(Leu, Phe 및 비타민 D 포함)이 코로나바이러스 질병 2019(COVID-19) 심각도와 연결되어 있습니다9,10. 영양의 건강 불균형은 또한 코로나19 취약성과 사망률로 인해 악화되는 심각한 인종 및 민족 불균형과도 밀접한 상관관계가 있습니다11. 더욱이, 중증급성호흡기증후군 코로나바이러스 2에 의해 유발된 장기 및 조직 기능 장애는 심장대사 질환 발병률을 증가시킬 수 있습니다12.

a, AA와 같은 순환 영양소는 다양한 생리적, 대사적 조건과 연관되어 있습니다. b, LEG, RAR 및 인공항체의 시너지 융합을 통해 대사 모니터링을 가능하게 하는 웨어러블 '뉴트리트렉(NutriTrek)'의 개략도. c, d, 땀 유도, 샘플링 및 바이오센싱을 위한 미세유체 'NutriTrek' 패치의 도식(c) 및 층 조립(d). T, 온도. e, f, 유연한 센서 패치(e) 및 피부 인터페이스 웨어러블 시스템(f) 이미지. 스케일 바, 5mm(e) 및 2cm(f). g, '뉴트리트렉' 전자 시스템의 블록도. 빨간색 대시로 표시된 모듈은 스마트워치 버전에 포함되어 있습니다. CPU, 중앙 처리 장치; POT, 전위차법; 인앰프(In-Amp), 계측 증폭기; MCU, 마이크로컨트롤러; TIA, 트랜스임피던스 증폭기; IP, 이온영동; CE, 상대전극; RE, 기준 전극; 우리, 작업 전극. h, 실시간 대사 및 영양 추적을 위한 맞춤형 모바일 애플리케이션. i, 일회용 센서 패치와 전기 영동 디스플레이를 갖춘 'NutriTrek' 스마트워치. 스케일 바, 1cm(상단) 및 5cm(하단).

2,500 °C), chemical bonds in the PI network are broken and thermal re-organization of the carbon atoms occurs, resulting in sheets of graphene structures. The optimized parameters for the graphene electrodes and electronic connections were power 8%, speed 15%, and points per inch (PPI) 1,000 in raster mode with three-time scan. For the active sensing area of the temperature sensor, the optimized parameters were power 3%, speed 18%, and PPI 1,000 in vector mode with one-time scan. To prepare the reference electrode, Ag was first modified on the corresponding graphene electrode by multi-current electrodeposition with electrochemical workstation (CHI 832D) at −0.01 mA for 150 s, −0.02 mA for 50 s, −0.05 mA for 50 s, −0.08 mA for 50 s and −0.1 mA for 350 s using a plating solution containing 0.25 M silver nitrate, 0.75 M sodium thiosulfate and 0.5 M sodium bisulfite. To obtain the Ag/AgCl electrode, 0.1 M FeCl3 solution was further dropped on the Ag surface for 30 s, and then 3 µl polyvinyl butyral (PVB) reference cocktail prepared by dissolving 79.1 mg of PVB and 50 mg of NaCl in 1 ml of methanol was dropped on the Ag/AgCl electrode and dried overnight. The Na+-selective electrode was prepared as follows: 0.6 µl of Na+-selective membrane cocktail prepared by dissolving 1 mg of Na ionophore X, 0.55 mg sodium tetrakis[3,5-bis(trifluoromethyl)phenyl]borate, 33 mg polyvinyl chloride and 65.45 mg bis(2-ethylhexyl) sebacate into 660 µl of tetrahydrofuran was drop-casted onto the graphene electrode and dried overnight. To obtain the desired stable Na+-sensing performance for long-term continuous measurements, the obtained Na+ sensor was conditioned overnight in 100 mM NaCl./p>