摘要

背景：连续皮质醇监测（CCM）对于压力管理至关重要，可为心理健康和生理健康提供生理学见解。然而，有前景的CCM平台亟需设计有效的生物识别元件以及皮肤集成多功能技术。

方法：本文提出了一种计算辅助的可穿戴系统用于连续皮质醇监测（CWSCCM），该系统融合了前沿跨学科技术，包括原位再生的分子印迹聚合物（MIP）、信号放大有机电化学晶体管（OECT）、基于离子电渗的汗液诱导以及微流控汗液采样。该高度集成系统结合OECT生物传感器，可实现MIP原位再生，并为皮质醇监测提供连续途径，检测限低至0.36 nmol/L。

结果：我们验证了CWSCCM在人类受试者中进行长期皮质醇昼夜节律监测的能力，结果显示其具有优异的灵敏度、选择性和连续监测能力。总之，我们展示了计算化学和OECT技术如何扩展当前可穿戴CCM的能力，有望推动闭环治疗应用的发展。

关键词：连续皮质醇监测；计算化学；有机电化学晶体管；可穿戴生物传感器；分子印迹聚合物；印刷电子

核心内容：

本研究开发了一套计算辅助的可穿戴连续皮质醇监测系统（CWSCCM），用于通过汗液实时追踪人体压力激素水平，实现无创、全天候的健康监测。

技术架构

系统集成三大模块：（1）基于分子印迹聚合物（MIP）的OECT生物传感器——负责高灵敏识别皮质醇；（2）微流控汗液采样模块——实现持续自动进样；（3）无线电路与手机APP——完成数据传输与显示。

核心创新

一是引入密度泛函理论（DFT）计算化学筛选MIP功能单体，从七种候选物中确定吡咯为最优选择，并通过理论模拟验证了电场辅助原位再生的可行性——施加-0.2V电压即可使传感器再生多达8次。二是优化OECT器件沟道宽长比（W/L=40），使跨导达1.8 mS，信号放大能力约为传统电化学传感器的85倍。

性能指标

在人工汗液中检测限低至0.36 nmol/L，线性范围1 nmol/L至10 μmol/L，且对皮质醇具有优异选择性，能有效区分结构类似物（如孕酮、泼尼松龙）及其他汗液干扰物（葡萄糖、抗坏血酸、乳酸）。

人体验证

系统在人体试验中成功追踪了皮质醇的昼夜节律——清晨分泌高峰、午后回落、运动后应激升高，结果与ELISA金标准高度一致，验证了系统在真实场景下的可靠性和持续监测能力。

核心机制与流程

计算化学指导皮质醇MIP优化

本研究采用密度泛函理论（DFT）模拟七种常用单体（4-乙烯基苯甲酸、吡咯、丙烯酰胺、甲基丙烯酸、苯胺、3-氨基苯基硼酸和邻苯二胺）与皮质醇的结合亲和力。通过计算单体-模板复合物的结合能，发现4VB-皮质醇复合物稳定性最高。但对于可穿戴再生型传感器，可逆的非共价相互作用更受青睐。因此选择吡咯（PYR）作为功能单体，其与皮质醇的结合亲和力虽低于4VB，但优于其他单体。同时PYR的电活性便于通过电聚合在模板分子存在下在工作电极上制备传感器。

MIP原位再生机制

传统生物亲和传感技术面临原位再生识别元件的挑战。本研究采用电场法实现再生：皮质醇等电点为pH 5.2-5.4，在生理条件下带负电荷。施加负电位可排斥结合在MIP层上的皮质醇分子，实现长期可重复使用。理论计算表明，引入电场改变了聚吡咯和皮质醇表面的静电势分布，两者构型发生变化，分子相互作用减弱，结合能显著降低。实验证实，向工作电极施加-0.2 V恒定负电位可使PB-MIP原位再生多达8次，无需清洗步骤。

OECT器件优化实现最大跨导

OECT生物传感器的跨导（g_m = ∂I_ds/∂V_g）是信号放大效率的关键参数。本研究通过改变沟道宽长比（W/L = 5, 10, 20, 30, 40）来调节跨导。所有基于PEDOT:PSS的OECT均在耗尽模式下工作。当W/L比增加时，达到最大跨导所需的栅极电压也增加。W/L=40时获得最高跨导约1.8 mS（V_g=0.16 V），性能媲美甚至超过光刻法等昂贵工艺制备的器件。

检测原理

PEDOT:PSS基OECT的工作原理基于沟道聚合物的掺杂和去掺杂过程。施加正栅极偏压时，电解质中的阳离子注入沟道，补偿PSS中的磺酸根阴离子，减少空穴载流子，降低PEDOT:PSS电导率。在模板分子存在下聚合时，功能单体与皮质醇之间的相互作用空间排列被保留。洗脱模板后形成的空腔允许目标分子重新进入并与聚吡咯形成主客体复合物。PB-MIP作为识别元件，MIP空腔的占据破坏了相邻PB分子间的电子转移，导致栅极电流降低，进而使源漏电流减小。得益于OECT的高效放大能力，MIP-OECT生物传感器的沟道响应扩展了约85倍。

讨论与结论

本研究提出了一种可扩展、完全集成、多功能的CWSCCM系统，用于运动和休息状态下的汗液皮质醇原位监测。开发的OECT跨导约1.8 mS，具有低能耗、快速离子置换响应（约150 s达平衡）和更高输出电流（约为传统电化学传感器的85倍）。首次采用计算辅助方法筛选识别元件用于构建OECT生物传感器，证实其再生能力在热力学上可行。该系统成功实现了人体汗液皮质醇的原位检测，与昼夜节律模式一致，为应激反应提供了动态分析，展示了OECT技术如何突破当前可穿戴电化学传感器的局限。

未来研究

多靶标同时检测：拓展传感器阵列，在同一平台上实现皮质醇、葡萄糖、乳酸等多种应激相关标志物的联合分析，获取更全面的生理状态评估。

长期稳定性与临床验证：开展大规模、长时程人群临床试验，验证系统在真实复杂场景下的可靠性，建立汗液皮质醇与疾病风险之间的预测模型。

小型化与低功耗优化：进一步缩小电路体积、降低能耗，推动系统向更轻便、更长时间续航方向发展，提升日常佩戴舒适性。

AI数据分析平台：将监测数据与情绪、睡眠、饮食等多维信息融合，建立个性化压力预警算法，实现从“监测”到“干预”的闭环健康管理。

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IF 18.8

文章标题

Computationally-assisted wearable system for continuous cortisol monitoring

作者：

Ying Liu, Xiaoyu Su, Peidi Fan, Xin Liu, Yuxiang Pan, Jianfeng Ping

DOI：

10.1016/j.scib.2025.03.060

发表期刊：

Science Bulletin

引用优品生物产品

YPJ1162 人皮质醇(Cortisol)