一种基于仿生学的汗液采集微流控贴片及使用方法

本发明涉及微流体领域，具体地讲，涉及一种基于仿生学的汗液采集微流控贴片及使用方法。

背景技术：

1、汗液含有丰富的电解质、代谢物、蛋白质、金属离子和其他生物标志物。其中不同化学物质的浓度变化可以反映人的生理状态的改变，也可以反映人的健康状况。可穿戴的汗液检测设备的使用可以在分子水平上对人体内的动态变化进行监测，弥补了非侵入性无创检测设备的众多缺陷。近年来对汗液成分的分析研究表明，汗液是临床应用中具有重要作用的一类生物流体，包括健康管理，运动监测和疾病诊断等。通过对汗液中的代谢产物(如葡萄糖、乳酸皮质醇和乙醇)，电解质(如钾、钠、氯)和生物大分子(如蛋白质和细胞因子) 的检测，汗液可以实时向我们传递人体的各种生理信息。汗液由人体内分泌系统分泌并在神经系统控制下将汗液排泄到皮肤表面，汗液中所溶解的各类生物因子可以通过汗液收集设备进行采集，其中的许多成分可以作为血液中生物分析物浓度的替代物。例如，通过对汗液进行分析来无创地测量血糖浓度，可用于筛查糖尿病的临床应用或运动中的能量利用率。将汗液中的葡萄糖与血液中的葡萄糖浓度建立关联，这是糖尿病临床诊断的关键一步。可以根据汗液中的乳酸水平对运动员的耐力进行评估并由此安排合理的训练强度。汗液中尿酸水平可以提供对肾脏疾病的洞察力。汗液中生物标志物的丰富性为人们进行非侵入性检测提供了便利。根据最近的研究，已经有多种汗液成分被用来监测人体健康，包括离子（k+，na+，ca2+，cl-）和小分子（尿素，乳酸和葡萄糖）。由于它们在汗液当中含量丰富，这些化学物质经常被用作目标分析物，对可穿戴设备设计的合理性进行分析。近年来，随着人们研究的不断深入，已开发出许多基于各种底物材料和检测方法的可穿戴柔性汗液检测设备。

2、可穿戴的柔性汗液检测设备通过对汗液进行收集并对其中的生物标记物浓度进行分析，将血液与汗液中的生物标记物浓度相关联，由此实现对人体的生理检测。在进行检测的过程中，可靠的汗液采集技术是准确地测量汗液中生物标记物的基础，该技术在提高检测的效率和检测精度方面起着至关重要的作用。由于不正确的方法或采集程序，会造成大量的汗液样品损失，并在检测过程中产生巨大的误差。柔性可穿戴汗液检测设备的发展需要先进的汗液采集技术做支撑。基于汗液的非侵入性检测的研究促进了人们对各种高效汗液采集方法的使用。为了解决上述问题，目前已经开发了一种化学刺激方法，使用了临床相关的程序毛果芸香碱电泳来诱导出汗。虽然这种方法可以诱导出汗，但是仍然需要一套合适的汗液采集装置来保证样品的完整性。

3、流体可控输运广泛存在于各种自然系统和实际工程中，在微流控、冷凝换热、抗结冰和界面减阻等领域具有广阔的应用前景。自从表/界面科学润湿性基础理论建立以来，传统的理解是，沉积在表面上的液体倾向于沿减少表面能的方向移动，而表面能主要由表面性质而非液体性质决定，如表面张力。由于液-固相互作用主要发生在二维（2d）域中，因此实现良好控制的定向转向是特别具有挑战性的。具有不同表面张力的液体的扩散方向可以通过设计3d毛细棘轮来定制，该棘轮在表面平面内外形成不对称的3d扩散轮廓。这种定向转向还伴随着自推进和高流速，这些理论在液体运输中都是优选的。然而，液体能否决定其命运，在不改变表面结构和无能量输入的前提下实现运动方向的自主选择是长期以来困扰学者们的科学难题。

技术实现思路

1、本发明要解决的技术问题是提供一种基于仿生学的汗液采集微流控贴片及使用方法，本发明采用具有良好机械性能，生物相容性，可降解性，透气性和表面湿润性的水凝胶作为贴片材料，采用3d打印的制备工艺，制备力学性能优良、高机械性能的汗液采集微流控贴片，旨在通过增加汗液采集面积，结合仿生结构在液体运输方面的促进作用，实现汗液的快速、大量收集，提高汗液传感器的检测和响应效率，实现对汗液葡萄糖的实时监测。

2、本发明采用如下技术方案实现发明目的：一种基于仿生学的汗液高效率采集微流控贴片，包括：贴片，所述贴片设置有汗液采集入口、汗液运输收集通道及汗液出口，所述汗液采集入口连通所述汗液运输收集通道，所述汗液采集入口包括具有仿生表面的采集面，仿生表面为南洋杉叶片仿生表面，所述采集面与皮肤接触，用于采集汗液，所述汗液运输收集通道包括具有南洋杉叶片仿生表面的汗液定向自驱动通道、汗液汇集槽及汗液采集仓毛细出口管，所述汗液定向自驱动通道连通所述采集面，所述汗液汇集槽连通所述汗液定向自驱动通道，所述汗液采集仓毛细出口管连通所述汗液汇集槽。

3、作为本技术方案的进一步限定，所述汗液定向自驱动通道的通道内叶片分布可以将汗液优先输送到所述汗液汇集槽内。

4、一种基于仿生学的汗液高效率采集微流控贴片使用方法，包括以下步骤：

5、步骤一：根据不同的采集要求和使用工况，将所述贴片固定在皮肤上，将汗液手动抽吸泵安装到贴片上，使所述汗液手动抽吸泵位于所述贴片上方；

6、步骤二：将所述贴片放置到手臂上，使所述皮肤接触所述贴片下方，手臂上的汗液通过毛细效应吸附到所述采集面上；

7、步骤三：汗液通过所述采集面进行采集，并定向运输到所述汗液汇集槽，再通过所述汗液采集仓毛细出口管产生的拉普拉斯压力将液体抽吸到所述汗液手动抽吸泵的入口处，完成第一阶段的液体汇集和运输；

8、步骤四：用手按压所述汗液手动抽吸泵的顶层，打开所述汗液手动抽吸泵的反应仓出口开关，放入比色卡片；

9、步骤五：关闭所述反应仓出口开关，松开手，由于汗液手动抽吸泵内部大气压强减小，所述汗液手动抽吸泵的出口将所述汗液汇集槽内的汗液吸出，汗液进入所述汗液手动抽吸泵内部接触所述比色卡片，完成检测；

10、步骤六：再次用手按压汗液手动抽吸泵的顶层，打开所述反应仓出口开关，取出所述比色卡片，排出剩余汗液。

11、作为本技术方案的进一步限定，所述汗液手动抽吸泵包括弹性按压顶盖、泵支撑体、密封层、排汗通道、毛细集汗管、反应仓、入口、出口、反应仓出口开关及防止回流的结构；

12、所述弹性按压顶盖粘贴在所述泵支撑体上方；

13、所述密封层，连接所述弹性按压顶盖及所述泵支撑体；

14、所述泵支撑体内设置有所述排汗通道、所述毛细集汗管、所述入口及所述出口；

15、所述入口连通汗液采集仓毛细出口管，所述毛细集汗管连通所述入口，所述反应仓连通所述毛细集汗管，所述排汗通道连通所述反应仓，所述出口连通所述反应仓；

16、所述反应仓出口开关粘贴在出口处；

17、所述防止回流的结构固定在所述反应仓的内部壁面，位于所述入口处，形成一种自锁结构，所述防止回流的结构与所述入口及所述反应仓连通。

18、作为本技术方案的进一步限定，所述步骤五的具体流程为：

19、步骤五一：手动打开所述反应仓出口开关，所述比色卡片放入所述反应仓；

20、步骤五二：按压所述弹性按压顶盖，关闭所述反应仓出口开关；

21、步骤五三：释放所述弹性按压顶盖，所述出口封闭，汗液手动抽吸泵内部大气压强减小，将所述汗液汇集槽内的汗液吸出，经过所述入口及所述防止回流的结构，进入所述反应仓接触所述比色卡片，完成检测。

22、作为本技术方案的进一步限定，所述比色卡片包括滤纸，所述滤纸上涂抹有葡萄糖氧化酶、辣根过氧化物酶及邻联茴香胺。

23、作为本技术方案的进一步限定，所述比色卡片为自制的葡萄糖比色分析卡片，当与汗液接触时会发生颜色变化，通过颜色变化可以获取汗液中的葡萄糖浓度变化。

24、与现有技术相比，本发明的优点和积极效果是：

25、1、 本发明所提供的南洋杉叶片仿生表面结构汗液采集面可以定向地将汗液从皮肤输送到所述的设备内。相较与其他采集表面，汗液汇集效率提高，降低了新旧汗液混合的可能。汗液手动抽吸泵可以将汇集的汗液一次性抽吸到反应仓内，结合比色卡片可以快速得到汗液分析物分布信息。所述结构可以更快地传输和采集汗液，并快速得到分析物浓度信息，汗液检测效率优于其他结构；

26、2、经南洋杉叶片仿生表面结构汗液采集面运输的汗液无需外力就可定向汇集到汗液汇集槽。然后依靠毛细管产生的拉普拉斯压力差即可将汗液抽吸至至汗液手动抽吸泵的入口，仅需轻轻一按并且松开，液体就可被大气压差吸入到检测区域，并且快速填充满检测区域的空腔，以便后续检测。结合自制标准比色卡可快速通过颜色识别出信号。而传统的微通道则需要大量排汗产生的压力推动汗液在通道内移动。得益于所述南洋杉叶片仿生表面结构的定向自驱动能力，该设备在保证便携性的同时效率远远高于其他传统微通道；

27、3、设置在汗液抽吸泵末端的排汗结构有效地解决了现有的基于微通道的可穿戴汗液检测设备面临的新汗与旧汗之间的混合和残留问题。在汗液定向自驱动结构和吸汗排汗结构的共同作用下，检测腔内的汗液时刻处于新旧分离的状态中，即检测腔内的检测分析物的浓度处于时刻变化的状态，可以实现对汗液短期内的阶段性测量，这使得传感器的读数可以直接反映分析物的实时测量值，实现对分析物浓度的实时检测，而不是仅仅反映分析物浓度变化的平均值。