可注射的生物传感器：有望长期检测人体酒精含量！

导读

近日，美国加州大学圣迭戈分校开发出一种小型化、低功耗、可注射的生物传感器，它将可以用于长时间、不间断的酒精检测。该芯片小到足以嵌入人体表皮之下，并能通过可穿戴设备例如智能手表或贴片无线供电。

背景

饮酒，是一种历史悠久而普遍的生活习惯和社会风俗。许多朋友都喜欢喝酒，但是也许很多人并不清楚，酒是世界上使用最为广泛的成瘾性物质。长期过量饮酒可造成酒精滥用和酒精成瘾，并伴发多种精神损害、躯体损害和社会损害。

对于酒精成瘾症患者的治疗来说，其中一个重要挑战就是，缺少用于常规检测的便捷工具。目前，评估血液中酒精含量的最常规方法就是：呼吸分析仪。但是，它的缺点是相对笨重，还需要患者主动吹气，且并不是十分精准。血液测试是最精准的方法，但是需要训练有素的技术人员才能操作。

也许，将酒精传感器如同文身一样佩戴在皮肤上，是一个有前途的新选择。笔者也曾介绍过这方面的创新案例，例如美国国家生物医学影像与生物工程研究所开发的生物传感器贴，就如同文身一般，它可以刺激汗液分泌，并检测汗液中的酒精含量。但是，文身类的皮肤贴片也存在一些缺点，就是很容易被移除，且只支持一次性使用。

（图片来源：美国化学会）

创新

近日，美国加州大学圣迭戈分校（University of California San Diego ）开发出一种小型化、低功耗、可注射的生物传感器，它将可以用于长时间、不间断的酒精检测。该芯片小到足以嵌入人体表皮之下，并能通过可穿戴设备例如智能手表或贴片无线供电。

（图片来源：David Baillot / 加州大学圣迭戈分校雅各布工程学院）

加州大学圣迭戈分校雅各布工程学院电气工程系教授、该项目的领头人 Drew Hall 表示：“这项工作的最终目标是开发一种常规的、不惹眼的酒精与药物检测设备，用于药物滥用患者的治疗项目。这种可注射的微型传感器，在门诊就可以操作而无需手术，使得患者更容易在更长时间内按照规定进行检测。” Hall 也隶属于加州大学圣迭戈分校的无线通信中心和可穿戴传感器中心。4月10日，Hall 的团队在于圣迭哥召开的2018年度IEEE定制集成电路大会（CICC）上展示了这项研究。

相关论文标题为： "A Sub-1 uW Multiparameter Injectable BioMote for Continuous Alcohol Monitoring."，作者包括加州大学圣迭戈分校的 Haowei Jiang*、Xiahan Zhou*、Saurabh Kulkarni、 Michael Uranian、 Rajesh Seenivasan、Drew A. Hall。

技术

生物传感器芯片的尺寸约为1立方毫米，可注射到皮肤下围绕身体细胞的细胞间液中。它含有一个涂有乙醇氧化酶的传感器，这种酶选择性地与酒精交互生成副产品，这个副产品可以通过电化学方法检测到。电信号通过无线方式传输至附近的可穿戴设备，例如智能手表，而芯片也是通过可穿戴设备无线供电。芯片上另外两个传感器用于测量背景信号与pH值，这些值被抵消后，酒精度数的测量会变得更加精准。

（图片来源：David Baillot / 加州大学圣迭戈分校雅各布工程学院）

研究人员将芯片功耗设计得尽可能低，总共才970纳瓦，差不多是智能手机打一个电话所消耗的功率的百万分之一。Hall 表示：“我们不想芯片对于可穿戴设备的电池寿命产生显著影响。我们正在植入它，所以不想许多的热量产生于身体局部或者电池内，这有可能会产生潜在的毒性。”

让芯片的运行功耗变得超低，其中一个办法就是通过一种叫做“后向散射”的技术。对于这项新颖有趣的技术，笔者之前也介绍过它的应用案例，让我们一起回顾一下：

1）美国华盛顿大学利用“调频后向散射技术”，将我们生活中日常物品变为无线电台，使之与手机或者汽车通信交换数据，其功耗远低于蓝牙、WiFi等无线通信技术。

2）美国华盛顿大学首次利用“远程后向散射技术”演示了，一种设备几乎以零功率运行，传输数据的距离最高可达2.8千米。这项研究突破对于物联网的发展来说有着重要意义。

在今天介绍的案例中，一个邻近的设备例如智能手表，发送无线电频率信号至芯片，芯片发送数据时会将这些信号修改并反射至智能手表，于是后向散射就产生了。

同时，研究人员也为芯片设计了超低功耗的传感器读出电路，并最小化测量时间，使之仅有三秒钟，从而让功耗更低。

研究人员通过一个模仿植入环境的装置，在人体外测试了该芯片。这包括测试在猪皮肤层下的稀释的人体血清中的乙醇混合物。

价值

总结一下，这样研究让人体中酒精的测量变得更加的方便快捷，实现了小型化、低功耗、可注射的生物传感器。它植入方便，无需手术，不仅将在人体中实现长期不间断的酒精检测，未来还将应用于其他分子与药物的检测。

未来

就未来的研究而言，研究人员正在计划在活的动物中测试这种芯片。Hall 的研究小组正在与位于加州大学圣迭戈分校高通研究院创新空间的创业公司 CARI Therapeutics 以及加州大学圣迭戈分校的成瘾症精神病医生Carla Marienfeld 博士（他精通治疗药物滥用症）合作，一起优化该芯片用于新一代的康复检测。Hall 的研究小组正在开发能够在体内检测其他分子和药物的芯片版本。

Hall 表示：“这是一个概念验证阶段的平台技术。我们已经展示了这种芯片能够测试酒精，但是我们憧憬着设计出能检测其他不同滥用药物，并注射定制的鸡尾酒到患者体内，提供长期的、个性化的医疗检测。”

关键字

芯片、生物传感器、可植入设备

参考资料

【1】https://ucsdnews.ucsd.edu/pressrelease/tiny_injectable_sensor_could_provide_unobtrusive_long_term_alcohol_monitori

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