综述：用于监测急性运动损伤生物标志物的可穿戴汗液电化学生物传感器：综述

《Microchemical Journal》：Wearable sweat electrochemical biosensors for monitoring biomarkers of acute exercise injury: A review

汗液电化学监测在运动相关损伤评估中的应用研究，系统综述了汗液作为生物标志物的潜力、技术挑战及未来方向，重点分析了炎症激活和肌肉损伤指标与血液标志物的相关性差异，探讨了柔性微流控芯片、多参数传感和无线数据传输的技术瓶颈，提出标准化检测流程和纵向研究的重要性。

　　

胡元艳|周行军|杨子轩

韩国大田培才大学体育与休闲服务系，邮编35337

摘要

急性运动和繁重的职业任务会引发复杂的生理应激反应和组织损伤，这些通常通过血液中的生物标志物来监测。汗水作为一种有前景的替代介质，可以实现连续的非侵入性评估，但汗液成分的多样性和传感技术的复杂性使得将其应用于实践变得复杂。本文综述了目前关于汗液中可检测的炎症激活、骨骼肌损伤、代谢负荷和水分状态指标的知识，这些指标对于早期发现与运动相关的并发症具有重要意义。特别关注了汗液与血液中细胞因子、肌酸激酶、肌红蛋白、乳酸和关键电解质的一致性证据，同时指出了两者之间的相关性和差异。随后，本文批判性地分析了电化学传感策略，包括安培法和电位法，并讨论了电极材料、生物识别层和抗污染界面如何影响在皮肤上的分析灵敏度、选择性和操作稳定性。最近在柔性基底和可穿戴微流控架构方面的进展也被总结出来，这些进展对时间分辨率和采样精度产生了影响。最后，本文探讨了系统层面的挑战，如校准、运动引起的伪影、个体间差异以及与无线电子设备和数据分析的集成。通过将生理背景与微尺度传感原理相结合，本文概述了将基于汗液的电化学监测技术从概念验证阶段发展为用于运动科学和职业健康的可靠工具所需的关键设计考虑和验证要求。此外，本文还指出了多分析物传感面板、标准化运动测试协议和纵向人体研究在建立临床应用价值方面的潜力。

引言

在体育和职业环境中追求最佳身体表现不可避免地会挑战生理极限。虽然急性运动是促进积极适应的强大刺激，但过度或不习惯的劳累可能导致一系列生理应激反应，包括运动引起的肌肉损伤（EIMD）、随后的炎症反应、代谢紊乱和脱水[1],[2]。如果这些反应未得到监测或管理不当，可能会累积，导致过度训练、表现下降以及急性或慢性损伤的风险增加。因此，能够实时客观量化这种生理负荷对于优化训练计划、加速恢复和预防损伤至关重要[3]。这一需求推动了运动医学和个人健康管理的范式转变，从离散的、反应性的诊断方法转向连续的、预测性的和个性化的监测[4],[5]。几十年来，评估运动生理影响的金标准一直是血液样本分析。这种侵入性方法通过肌酸激酶（CK）和肌红蛋白等生物标志物提供肌肉损伤的信息[6]，以及炎症细胞因子提供免疫反应的信息[7]。然而，在运动的动态背景下，血液分析的实用性受到其固有局限性的严重限制。该过程具有侵入性，常常会引起疼痛，需要受过训练的采血人员，并且涉及复杂的实验室操作，导致样本收集和数据可用之间存在显著的时间延迟[8],[9]。因此，血液分析只能提供高度动态生理状态的稀疏、延迟的快照，无法在运动期间或之后立即提供实时反馈。

在这种背景下，汗水作为一种有力且强大的替代生物流体，成为了非侵入性生理监测的选择[10]。从皮肤上的数百万个汗腺中分泌的汗液是一种富含多种分析物的化学基质，包括电解质、代谢物、氨基酸、激素和蛋白质，可以反映系统的生理和代谢状况[11],[12]。能够在皮肤表面直接连续且非侵入性地采集这种生物流体，为实时追踪身体对运动的分子级反应提供了前所未有的机会。这一潜力促进了可穿戴生物传感技术的研究热潮，这些技术旨在“聆听”汗液的化学信息。

在各种转换技术中，电化学传感已成为可穿戴汗液分析的主导平台[13]。这种偏好并非随意选择，而是由于可穿戴技术的严格要求所决定的。电化学方法结合了高分析性能、微型化的潜力、低功耗以及适合低成本、可扩展制造技术（如丝网印刷）的优势[14],[15]。生化事件直接转换为电信号，消除了其他传感方式所需的笨重光学组件的需求[16]，使得电化学平台特别适合集成到薄型、柔性且贴合皮肤的格式中，如贴片、纹身或智能纺织品[17],[18]。从第一代可穿戴设备（仅能监测心率等物理参数）发展到当前能够进行分子级分析的先进传感器，代表了技术上的巨大飞跃，有望使个人生理数据的获取更加普及。

本文批判性地评估了当前用于监测与急性运动相关的生理应激和损伤风险生物标志物的电化学生物传感器的现状。在本文中，我们将“急性运动损伤”限定为可能发生组织应力、炎症激活和/或肌肉损伤的运动相关并发症（例如，运动引起的肌肉损伤和严重的极端情况如运动性横纹肌溶解症），同时明确区分这些与损伤密切相关的过程与代谢负荷和水分/电解质负荷。目前最适合连续电化学检测的汗液目标（乳酸、电解质和pH值）主要反映代谢需求、体温调节性出汗和液体-电解质平衡；因此，它们提供的是情境相关的负荷信息，而不是直接量化组织损伤。相比之下，炎症介质（如IL-6、TNF-α）和典型的肌肉损伤标志物（如CK、肌红蛋白）虽然与损伤更为直接相关，但由于在汗液中的含量低、运输/分配复杂以及验证不完全，因此在汗液中的检测仍然具有挑战性。因此，我们将汗液生物标志物分为两类：与损伤密切相关的信号（炎症激活和肌肉损伤标志物，其中汗液证据正在出现但仍然存在不一致性）和负荷/水分信号（乳酸、电解质、pH值），后者对于解释工作负荷和脱水风险很有价值，但不应被视为直接的组织损伤指标。这种分类与证据一致，即汗液分析物的水平取决于汗腺生理、出汗速率以及局部产生/处理过程，而不仅仅是简单地反映血液浓度[19]。

这些因素目前阻碍了这些有前景的技术从受控的实验室环境向体育医学及其他领域的广泛应用。如图1所示，可穿戴汗液生物传感器的成功部署依赖于微流控采集、多路传感、实时数据处理和无线传输的无缝集成。这种架构表明，生物传感不是一个孤立的分析过程，而是一个连接人体生理和数字分析的协调系统。这种集成实现了连续的、分散式的监测，为在高强度或耐力运动期间提供个性化的训练反馈循环和主动的损伤预防策略铺平了道路。

部分摘录

汗液生物标志物作为急性运动引起的生理应激的代理指标

基于汗液的监测的基本前提是汗液生物标志物可以反映个体的生理状态；然而，其解释取决于特定分析物的运输/分配、出汗速率以及局部汗腺/皮肤的影响，因此对于与损伤密切相关的标志物和与负荷/水分相关的标志物而言是不同的[19]。然而，这一假设正受到科学界的严格审查，也是验证其临床应用价值的最大障碍

用于可穿戴汗液分析的电化学转换平台

将汗液生物标志物转化为可操作数据依赖于开发出灵敏、选择性高、稳健且适合体表使用的传感平台。电化学传感器已成为这一努力的核心，提供了检测多种分析物的多功能工具箱。这些平台的技术复杂性随着目标生物标志物的复杂性而不断提高，从简单的离子传感器发展到复杂的

运动医学中可穿戴生物传感的关键挑战和未来展望

尽管技术进步迅速且概念验证结果令人鼓舞，但可穿戴汗液生物传感器在监测急性运动损伤方面的广泛应用仍受到一系列重大且相互关联的挑战的阻碍。这些障碍涵盖了从基础生理学到体表传感器工程、数据解释和系统级集成的整个范围。克服这些障碍是当前研究的主要焦点，也将决定其普及的时间表

作者贡献声明

胡元艳：撰写——初稿、验证、调查、正式分析、数据整理。周行军：撰写——初稿、软件开发、资源准备、方法论设计、调查、数据整理。杨子轩：撰写——审稿与编辑、数据可视化、监督、调查、概念构思。

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文报告的工作。