可穿戴設備以其對人體生理信息動態、持續、實時監控的優點對我們的日常生活產生了廣泛影響，在大健康行業得到關注。目前已經商業化的可穿戴設備主要是實現心電圖和光電容積圖測量心率，分別屬于電化學和光學生物傳感器兩種。
除了這兩類傳感器，可穿戴設備中還有更具價值的一類——生物傳感器。生物傳感器通過無創測量體液中的生化標志物來反映人體生理狀態。這類生物標記物主要包括汗液、淚液、唾液和間質液，以及體液中的代謝物、細菌及激素等。
可穿戴生物傳感器在醫療應用中前景廣泛，但在大規模商業化之前還有很多問題需要解決。美國Nature雜志對該行業的最新進展作了詳細介紹，本文摘取并編譯報告的部分內容，幫助大家了解可穿戴生物傳感器的現狀及發展趨勢。
2025年市場規模有望達28.6億美元
據來自GrandViewResearch的市場報告，2016年，全球可穿戴設備市場規模約為1.5億美元，預計2025年將達到28.6億美元。新增市場規模中的很大一部分將由可穿戴生物傳感器貢獻。
盡管可穿戴無創生物傳感平臺的商業化速度慢于預期，但隨著該項技術的突破，很多人仍看好這一設備的市場前景。
目前，可穿戴設備主要采用物理傳感器，監測使用者的行動能力和生命體征，如步數、熱量消耗及心率。隨著其功能從跟蹤體育鍛煉擴展到關注醫療保健（如糖尿病管理或對老年人的遠程監控等），可穿戴設備也需進行革新。
典型的生物傳感器包含兩個基本功能單元：負責選擇性識別生物標志物（酶、抗體或DNA）的生物受體、負責將生物識別過程轉換為有用信號的物理或化學傳感器。近年來，隨著無創取樣及監測技術的日漸成熟，利用無創可穿戴生物傳感設備替代常規的血液檢測日益接近現實。這種設備具有使用便捷、有高度特異性、低成本、低功耗等優勢。
目前，可穿戴生物傳感器主要分三類：表皮可穿戴生物傳感器、眼部可穿戴生物傳感器和口腔可穿戴生物傳感器。
表皮可穿戴生物傳感器
人體的絕大部分都為皮膚所覆蓋，在各類可穿戴生物傳感器中，通過皮膚來接觸人體的表皮可穿戴生物傳感器受關注度最高。
表皮可穿戴生物傳感器可在皮膚表面對汗液或間質液采樣，并對其中的生物標志物進行實時分析或連續監控。此類傳感器通常依賴于生物受體，以生物催化和離子識別標志物，并以光學、電化學或機械等不同的傳導模式相結合。目前，電化學和色差是兩種主要的傳導模式。
目前，表皮可穿戴生物傳感器已研發成功，常見的傳感器集成方式有電子皮膚、臨時打印的紋身、腕帶、貼片或直接嵌入紡織品等。這些集成方式可以確保傳感器與皮膚緊密接觸，并在身體運動時承受機械壓力。
眼部可穿戴生物傳感器
淚液也是一種可用來監測人體生理狀態的生物液體。淚液中的生物標志物分子直接從血液中擴散出來，加上淚-血閉環，體現了與血壓中標志物濃度的關聯。淚液是眼睛防污機制的一部分，成分不如血液復雜，這些特性使得淚液對無創監測及診斷來說更具吸引力。
口腔可穿戴生物傳感器
唾液中的許多生物標志物通過參與體內血液循環，以細胞轉運或細胞間傳輸的方式進入唾液，使唾液能夠反映人體生理狀態，是一種理想的可替代血液進行分析的體液。
此外，唾液中有較高的蛋白質含量，適合檢測其中與疾病和應激相關的生物標志物，在生物醫學和健康監測中具有重要的應用價值。
技術及商業化進程仍存挑戰
目前，可穿戴生物傳感器仍處于概念階段，距實際應用還有一定距離，此類設備在檢測范圍、有效性、穩定性、準確性、供電、通信、安全與隱私方面還存在許多挑戰。
01更廣泛的生物標志物測量
目前，大多數可穿戴生物傳感器只可測量少量生物標志物。未來，業界應努力推出新的生物傳感器格式，以及更好的無創生物體液取樣方式，用以監測更廣泛的生物標志物種類。
了解每一種生物體液的組成，及其與某些疾病的關系，對于提升醫療保健領域中對可穿戴技術的認可，以及擴大此類設備的臨床應用至關重要。
無創體液取樣中標志物水平與同時期標志物在血液中濃度的實時關聯是取樣獲得認可的關鍵指標。在真實世界中對生物傳感器讀取進行嚴格和可再現的解釋正在進行中，特別是在可能需要臨床響應或操作響應的應用中。
未來，為識別新的生物標志物，我們需要對每一種不同生物體液的組成進行系統、深入的分析。
同樣，除了現有的體液類型，應嘗試從新的體液類型上尋找機會。這種對更大范圍生物標志物的實時分析也將使生物醫學的其他領域受益，如由生物標志物引導的新實驗療法的臨床開發。
02準確性和穩定性
確保可穿戴生物傳感器響應的準確和可靠，對其市場接受度的提升至關重要。可穿戴生物傳感器的準確性常受表面污染效應的影響，而表面污染效應是影響傳感器連續工作的主要因素。
為確保傳感器長時間佩戴的可靠性，堅固的抗污染表面保護是必要的。
基于唾液的口腔生物傳感器會受到大量的生物污染。因此，口腔生物傳感器需特別關注表面保護涂層，應慎重選擇傳感器涂層材料，以減少生物污染的影響，并排除電活性干擾。同時，可在傳感器表面添加酶，避免傳感器上潛在有毒成分的泄漏。
與傳統的基于實驗室的生物傳感器不同，可穿戴生物傳感器在不受控制的環境中進行長時間戶外活動時，可能會影響生物傳感的穩定性。為確保佩戴過程中測量的準確性，還需注意來自周圍環境的潛在污染、與陳舊體液的混合、涉及相關傳感器校準的連續信號漂移等影響因素。
03系統集成和硬件
對硬件、供電和通信問題的關注對此類傳感器的實際應用至關重要。
硬件組件必須與生物傳感器平臺高度集成，并根據特定應用需求進行修改。包含全功能微控制器的印刷式無線電路板因具有靈活性和較好的成本效益而被廣泛應用，這種印刷電路板可與電池集成。
可穿戴設備的另一功能上的關鍵要求是在連續監控期間保持低功耗，以便為佩戴者或其他終端用戶提供有用且及時的信息。這可能需要在能量消耗和數據速率間進行權衡，特別是在需要高采樣頻率時，對采集的數據進行高效處理及安全、有效的通信非常重要。
為可穿戴生物傳感平臺供電的最常見方式是鋰離子電池或堿性電池供電。然而，它們體積龐大，可能會引起毒性問題，特別是基于鋰離子的系統。目前，電池已能夠使用柔性材料，以提供更好的可穿戴性能。
隨著多路復用傳感平臺對供電需求的提升，可穿戴傳感器供電技術的進步成為重要需求。這一需求可通過供電和更節能設備的開發，以及減少能源需求的自適應算法來彌補。
可穿戴生物傳感器在商業市場中面臨與其基本操作功能相關的一些障礙。
首先，可穿戴設備必須克服在不受控制的條件下長時間工作帶來的穩定性問題，以及生物污染、生物識別組分本身固有的不穩定性等問題。
其次，設備必須能夠在無需經常校準的前提下可靠地運行。因此，傳感器的研發必須保證較高的生物受體穩定性，以保持響應的準確性和可靠性。
第三，還需要適當的流體取樣系統，如微流控技術的應用，以在傳感器上實現生物液體的有效傳輸，確保可再現、準確的信號，以及可忽略的樣本污染。這種先進的可穿戴流體系統還可促進多步驟生物親和測定，特別是對免疫測定而言。對長時間使用的可穿戴設備來說，免疫傳感器的再生是另一個需克服的挑戰。
完全集成化的可穿戴生物傳感平臺需結合有供電功能的無線電子設備，以便數據處理和信號的安全傳輸。此外，移動終端和基于智能手機的顯微鏡的使用等，有望促進光學可穿戴生物傳感器響應的讀出。
考慮到上述挑戰的存在，我們對可穿戴生物傳感器技術及其將如何改善我們健康水平的了解才剛開始。
未來的可穿戴生物傳感器將有多種形態，從腕帶到紡織品或時尚配件，并逐漸融入佩戴者的日常生活。鑒于可穿戴生物傳感器領域中的競爭性研究和巨大的商業機會，我們有理由期待該行業在不久的將來出現新的發展。可穿戴傳感器市場預計會快速增長，此類設備也將在未來提高人們的健康生活質量。
