新型纸基医疗诊断装置：自供电、便携式、低成本！

导读

最近，美国普渡大学的研究人员开发出一种低成本、便携式、自供电的、纸基的新型医疗诊断装置，它能够检测生物标记物和诊断疾病。

关键字

背景

传统的医疗诊断设备给我们的印象：笨重、昂贵、难操作、需要很长时间的才能获取诊断结果。也正是这些因素制约了医疗技术的进一步发展和普及，特别是对于发展中国家和偏远落后地区来说。

然而随着物联网、传感器、人工智能、材料、柔性电子、可穿戴等领域的技术不断地创新和突破，越来越多的小型化、便携式、低成本、易操作的医疗诊断设备不断涌现出来。

例如，笔者曾经介绍过的：用于艾滋病检测的U盘，30分钟内可以获取检测结果；自动化诊断测试阅读器，利用智能手机读取细菌耐药性的值；检测癌症的智能手机光谱仪，可提供实验室级别的检测结果；基于智能手机的精液分析仪，让你在家就可以进行精液检查；由纳米传感器阵列组成的呼吸分析仪，可以通过呼气，检测癌症等17种不同类型的疾病。除此之外，还有各式各样的芯片实验室和生物传感器设备。

创新

然而，我今天介绍的是一项非常具有特色的创新技术，让大家可以更好地体会到目前医疗设备领域最前沿的创新发展。最近，美国普渡大学的研究人员开发出一种由纸做成的新型医疗诊断装置，它可以可以通过电化学分析，检测生物标记物和诊断疾病。这种设备能量供应方式是“自供电”式的，用户仅需要进行触摸，就可以为它提供能量。另外，它还提供了一种基于色彩的测试结果，让非专业人员都可以很容易理解。

（图片来源：普渡大学/Aniket Pal）

研究结果详见8月22日《Advanced Materials Technologies》杂志上发表的一篇论文。美国普渡大学工业和生物医学专业的助理教授 Ramses V. Martinez 与研究生 Aniket Pal 、Debkalpa Goswami，访问学者 Hugo E. Cuellar 、Heloisa F. N. Caurin，高中生 Randy Kuang 一起合著了这篇论文。

技术

研究论文主要描述了SPED、TEG、便携式的恒电位仪和识别不同颜色信息的机器视觉算法等概念。SPED 是自供电的纸基电化学装置的英文缩写。

（图片来源：普渡大学）

测试的起始步骤是，在装置的圆形部分上滴一滴血。这个圆形的面积小于两英寸的正方形。SPED也含有“自移液测试区”（self-pipetting test zones），它可以浸入样本，而无需采用扎手指的方式。

SPED的顶层是使用未经处理的纤维素纸，加上有图案的疏水性“域”制成。这些“域”定义了一些通道，它们依靠毛细作用吸取血样进行测试。这些“微流通道”可以精准地测定颜色的变化，从而显示具体的测试结果。

（图片来源：普渡大学）

（图片来源：普渡大学）

另外，研究人员还设计了一种机器视觉诊断应用，或许是在智能手机上。它可以从SPED的数字图像中，自动地识别和量化每一个“比色”测试的结果，为用户提供快速诊断结果，促进远程专家咨询。

（图片来源：普渡大学）

SPED的底层是一种“摩擦电发电机”，也称为“TEG”，它是实现自供电的关键组件。通过简单的摩擦或者按压，它就可以产生足够的电流，用于运行诊断测试。

（图片来源：普渡大学）

研究人员也设计了一种廉价的手持设备，也称为“恒电位仪”。它可以简单地插入SPED，使得诊断测试变得自动化，未经培训的用户也可以进行测试。为恒电位仪供电的电池，可通过内置于SPED的TEG进行再充电。

价值

首先我们看看Martinez 是如何评价这项技术的：

“你可以将它看作一种便携式的实验室装置，完全由纸制成，廉价且可以通过焚烧进行处理。我们希望这种装置可以服务于那些位于偏远地区或者军事基地的未经培训的人员，在不需要任何电力、清洁的水以及其他设备的情况，测试一些列的疾病。”

（图片来源：普渡大学）

“SPED是低成本、轻量、柔性且易用的。”

“据我们所知，这项研究报告了首个自供电的、纸基装置，它可以结合低成本、便携式、使用纸基TEG进行再充电的恒电位仪，进行快速、准确和灵敏的电化学分析。”

SPED可以兼容大块印刷技术，例如卷对卷印刷或喷涂沉积。它们可以进行“多路复用”分析，对于一些列定点照护测试的各种目标，进行高度灵敏和准确性的检测。此外，它们也可以为其他电子设备供电，促进实现资源受限环境中的远程医疗应用。

SPEDs 可以用于检测生物标记物，例如葡萄糖、尿酸和L-乳酸、酮类以及白血球，这些指标与肝肾功能，营养不良和贫血相关。未来，这项技术将再添加几层用于更加复杂测定，检测登革热、黄热病、疟疾、艾滋病毒和肝炎等疾病。

参考资料

【1】http://www.purdue.edu/newsroom/releases/2017/Q3/self-powered-paper-based-speds-may-lead-to-new-medical-diagnostic-tools.html

【2】Aniket Pal, Hugo E. Cuellar, Randy Kuang, Heloisa F. N. Caurin, Debkalpa Goswami, Ramses V. Martinez. Self-Powered, Paper-Based Electrochemical Devices for Sensitive Point-of-Care Testing. Advanced Materials Technologies, 2017; 1700130 DOI: 10.1002/admt.201700130

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