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运动高科技——可穿戴式乳酸传感器

2023-02-09 13:29
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在运动当中我们常常提到乳酸,而且都知道乳酸的产生对身体是有害的,那运动和乳酸到底有什么关系呢?


乳酸(汗液中存在的化合物)是运动过程中量化的重要生物标志物,其在功能系统中占有很重要的地位,是人体内的正常副产物,人在剧烈运动后,血液中产生较多的乳酸。


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例如:乳酸在组织中不存在氧气的情况下在葡萄糖分解过程中产生,是血液和汗液中都存在的重要生物标志物,它反映了体育锻炼的强度以及肌肉的氧合状态。


在运动过程中,需要能量的肌肉会迅速耗尽氧气,然后回到另一条新陈代谢途径,以积累乳酸的“成本”提供能量,这会引起疼痛和疲劳。


然后,乳酸被释放到血液中,并且一部分通过汗液被消除,这意味着可穿戴式化学传感器可以测量汗液中乳酸的浓度,以实时显示运动强度或肌肉状况。


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在训练过程中,肌肉中不舒服的烧热感不是由乳酸引起的,而是由人体pH值下降所产生的氢离子引起的,肌力的疲劳与乳酸有关,但不适和随后残留疼痛的原因更多是与血液中的酸有关,当肌力疲劳时,通常意味着血液中的酸中毒或乳酸积累的增加。


乳酸不是造成疲劳的原因,但确实与训练衰退有关,因此,可以将其视为生物化学循环利用的一部分,以帮助应对疲劳。


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近期,许多研究人员均在不断深入研究运动和乳酸的关系以及乳酸在运动训练中的应用,并已经取得巨大的效果,采集运动员的血液乳酸有助于体育科研人员和教练评估运动员的运动负荷、机能状态等。


随着可穿戴传感器的进一步发展,在检测乳酸含量方面,除了传统的化学比色法之外,以无创方式实现汗液乳酸测量并在运动时持续追踪其演变的可能性似乎离我们很近。


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最近,ACS(美国化学学会)发表了一篇文章——Can Wearable Sweat Lactate Sensors Contribute to Sports Physiology?(可穿戴式汗液乳酸盐传感器有助于运动生理学吗?)指出,尽管目前的证据相互矛盾且不完整,但运动生理学家正在研究这项技术是否能在防止受伤的同时提高运动成绩。


研究人员表示,乳酸传感器技术的目标——通过实时监测人体体内乳酸含量联系到人体运动状态,从而实时确认运动员施加的力量是否过大或过少,提升训练效率,目前距离目标达成还很遥远,因为没有足够的证据证明运动成绩和乳酸浓度之间的关系,对于汗液和血液中乳酸与其他生物标志物之间的关系也缺乏了解。


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乳酸是运动科学家或教练测量的副产品,用于评估体能测试期间的运动员运动能力的水平,伴随着其他生物标志物的实时汗液乳酸测量可以让训练课被彻底监控和调整,这可以确保运动员不会训练得太辛苦或太少,从而提供正确的训练方案,使运动员能够长期表现得更好。


温度和pH值通常会影响乳酸的电化学读数,导致测量结果远低于预期,因此,研究人员开发了一种方法,在传感器外使用一种特殊设计的聚合物层来分离汗液中的乳酸。


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聚合物保护传感器中的反应酶不与乳酸以外的任何物质发生反应,并使传感器能够读取比电化学传感器通常读取的更高浓度的乳酸。


研究人员目前正在使用这项技术进行身体测试,其中血液和汗液的测量与运动员的运动成绩相关,同时,还采集了汗液样本,在实验室验证了传感器的性能。


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在最近的一项研究中,东京科技大学研发了一种柔软且无刺激性的微流体传感器,用于实时测量汗液中乳酸的浓度,这种可穿戴设备将有助于在激烈的体育锻炼或工作期间监视身体的状态。


研究人员采用了一种称为“电子束诱导的接枝聚合”的方法,通过该方法,功能分子与可以自发结合酶的碳基材料结合。


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研究人员将这种材料制作成可用于印刷电极的液体墨水,最后一部分是使用柔性电极传感器制造与丝网印刷兼容,丝网印刷是一种可按比例放大的轻巧工艺,完成感应机制后,研究人员设计了一个合适的系统来收集汗水并将其传送到传感器。


通过由聚二甲基硅氧烷(PDMS)材料制成的微流汗收集系统实现了这一目标,它包括多个小入口,一个出口以及一个用于传感器之间的腔室,该系统可以与皮肤直接接触。


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传感器的检测及其对乳酸浓度的操作范围已确定适合于研究“乳酸阈值”,即运动过程中有氧代谢变为无氧代谢的时间点。


实时监测身体现象对于人体健康与医疗等相关应用领域非常重要,监测乳酸阈值将有助于优化运动员的训练以及康复患者和老年人的锻炼程序,并控制运动的进行。


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研究人员已经在实际场景中测试该传感器的实现,这项研究取得的进展将有助于发展可穿戴化学传感器的领域,帮助我们更好地跟踪身体过程并保持健康。


许多研究表明,乳酸的测试能帮助我们阐明和了解训练的原理,调节和控制训练强度,评定和预测训练水平,故乳酸常有“训练标尺”之美称。


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汗液乳酸传感器已被确认是一种有前途的解决方案,可以克服大多数血液测试的典型缺点。


目前,随着乳酸测试方法的不断改进和大众健身训练专业化发展的趋势,乳酸的测试及评价在运动科学中的运用会越来越广泛。


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钰芯传感研发的两款柔性叉指电极,分别以PI和PET为基底,利用PI/PET具有可弯曲可拉伸的特性,电极可紧密贴合人体皮肤,现被广泛应用于可穿戴式传感器,如汗液乳酸传感检测。


PI柔性叉指电极,是一种有机聚合物薄膜,不仅耐水解、耐高温、耐腐蚀,而且具有良好的生物相容性和有益的绝缘性。

 

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