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一、研究作者、机构与发表信息
本研究由Pezhman Jalali与Amir Sanati Nezhad完成，主要作者隶属于加拿大卡尔加里大学（University of Calgary）生物医学工程系的BioMEMS and Bioinspired Microfluidics Laboratory，其中Amir Sanati Nezhad同时任职于该校机械与制造工程系。论文以“cap-sweat: a capillary microfluidic platform for digitized sweat sampling and time-resolved biomarker analysis”为题，发表于《lab on a chip》期刊，2026年，第26卷，页码2734–2746，并于2026年4月7日在线发表，doi为10.1039/d5lc01172h。
二、研究背景与目的
该研究属于可穿戴生物流体采样与微流控技术交叉领域。汗液作为一种非侵入性、易获取的生物流体，含有丰富的电解质与代谢物，在健康监测、运动表现评估和神经内分泌研究中具有重要价值。然而，传统汗液采样方法面临若干关键局限：时间分辨率差、蒸发损失显著、依赖腺体压力驱动流体，以及新分泌汗液与已收集样本混合导致的时序信息丢失。这些问题严重制约了对皮质醇等具有动态波动特征的生物标志物的精确时间分辨分析。
针对上述挑战，作者提出并开发了cap-sweat平台。该平台源自作者团队先前用于三维细胞培养的cap-drop液滴微流控系统。cap-sweat旨在实现无泵、无阀、抗蒸发的被动式汗液时序数字化采样，将连续分泌的汗液按时间顺序分割为独立的固定体积微腔室样本，为后续离线高灵敏度分析（如酶联免疫吸附测定，enzyme-linked immunosorbent assay，ELISA）保留严格的时间序列信息。研究的核心目标是验证该平台在生理条件下实现亚分钟级时间分辨采样的可行性，并通过对运动过程中汗液皮质醇动态变化的捕捉，展示其在揭示急性应激生理学特征方面的潜力。
三、详细工作流程
本研究的工作流程包括平台设计与制造、毛细阀与通气结构表征、体外时序保真度验证、以及体内运动实验与生化分析四个主要阶段。
在平台设计与制造阶段，cap-sweat采用多层叠层结构，使用亲水性聚对苯二甲酸乙二醇酯（polyethylene terephthalate，PET）作为顶层和底层密封材料，疏水性压敏胶（pressure-sensitive adhesive，PSA）作为中间间隔层（spacer layers，SPs），并通过二氧化碳激光切割机逐层加工与键合。研究开发了两种构型：type-f型包含三层间隔层，顶层和底层均为亲水性；type-g型包含两层间隔层，顶层为疏水性，底层为亲水性。type-g型具有更好的柔性和试剂预加载能力，但由于type-f型腔室体积更大，便于满足ELISA所需的样本量，因此体内实验均采用type-f型。标准配置包含18个微腔室（microchambers，CHs），总工作体积约99–103 μL，首个腔室充满约需18 μL。入口处嵌入激光切割的多孔纤维芯（wicking fiber），用于从皮肤表面主动吸取汗液并降低死体积。系统集成中央通气网络，所有腔室通过空气导管连接至远端共享的主通气出口（primary vent outlet，PVO），避免了每个腔室单独设置通气孔所导致的蒸发损失。
毛细阀表征阶段设计了一个包含两个相邻腔室和中间桥接通道的模块化测试平台，系统评估了三种阀构型（config-1至config-3）在f和g两种变体下的性能。config-1仅依靠几何缩窄调节流阻；config-2结合几何缩窄与材料异质性形成爆破阀（burst valve）行为；config-3通过将桥接通道完全嵌入两层疏水PSA之间，消除了前向毛细力，形成了有效的停止阀（stop valve，SV）。实验发现，表面润湿性而非几何结构是决定阀功能的主导因素。由于人体汗液表面张力低于去离子水，PSA接触角从水的约90°降至人工汗液的约83°，导致停止阀可能出现缓慢渗漏。因此，研究比较了并联毛细电路（parallel capillary circuit，parallel CC）与串联毛细电路（series capillary circuit，series CC）两种通气架构。体外测试表明，串联CC能显著缩短每个腔室与PVO的连接时间，从而降低停止阀暴露于液体期间发生渗漏的风险，最终被选定用于cap-sweat平台。
体外时序保真度验证阶段使用双色染料（紫色和黄色）作为时间变化生物标志物浓度的光学模拟物。通过两个独立注射泵以时间编程的流速曲线向装置入口输送染料，模拟运动或应激反应中的生物标志物波动。收集完成后对各腔室进行光学成像和色相-饱和度-明度（hue–saturation–value，HSV）分析，将提取的色彩数据与理论输入曲线进行时间映射比较。结果显示记录到的比色模式与编程输入序列高度一致，未发现除初始滞后阶段外的染料扩散或腔室间混合，证明了装置在无外部驱动条件下准确离散化动态输入浓度的能力。
体内实验阶段招募了3名健康志愿者（n=3），在受控跑步机运动方案下进行。运动强度为5.5–6.5 km/h，坡度1.5%，持续12–16分钟。cap-sweat贴片固定于上背部、大腿或前额，运动结束后立即置于干冰上2分钟以稳定液滴并减少腔室间交叉扩散。随后将贴片切成六个区域，每个区域包含三个连续腔室（约对应2–3分钟汗液收集，总体积9 μL），通过1000 rpm离心1分钟提取汗液，并用竞争性ELISA试剂盒定量皮质醇浓度。
四、主要结果
体外时序验证结果表明，cap-sweat能够在生理相关流速下精确地将动态输入浓度离散化为空间分离的样本区室。初始腔室出现的微小时间偏移归因于主流动通道体积造成的流体延迟，而下游腔室的时间采样精度逐步提高，表明系统达到了稳态运行且脉动流不规则性的影响极小。
体内实验中，所有三名受试者的皮质醇轨迹均显示出独特的动态模式：在运动开始后的前2–3分钟内出现明显的早期峰值，随后下降并伴随波动。该早期皮质醇激增可能反映了血浆到汗液的陡峭浓度梯度驱动的快速经皮扩散，或交感神经急性刺激下汗腺释放预成形的皮质醇。后续的波动模式提示下丘脑-垂体-肾上腺（hypothalamic–pituitary–adrenal，HPA）轴的脉冲式分泌和/或汗管内的重吸收过程。将皮质醇曲线转换至频域后，出现了约0.05–0.15 Hz的低频振荡成分，与血浆研究中已知的皮质醇超日节律一致。这表明cap-sweat能够解析与应激适应和神经内分泌脉冲性相关的生理模式。同时，汗液分泌速率数据显示，以单个腔室为单位分析可提供更高的时间分辨率，且各腔室存储固定体积意味着分泌速率的变化只影响填充时间而不影响生物标志物浓度测量值，从而将分泌动力学与浓度动态解耦。
五、结论与价值
本研究成功开发了一种无泵、抗蒸发的被动式毛细微流控平台cap-sweat，实现了在生理条件下的亚分钟级汗液时序采样。在人体运动中，该平台同时捕获了特征性的汗液分泌速率曲线（包括运动初期3–5分钟内的瞬时峰值，随后进入较低且波动的分泌状态）和皮质醇的受试者特异性动态变化。其科学价值在于证明了高分辨率时序采样能够揭示传统整体汗液收集方法所掩盖的内分泌与体温调节动态过程；其应用价值体现在为神经内分泌研究、心理健康监测、运动表现追踪和个性化医疗诊断提供了一个可扩展、低成本且可兼容多种传感器的平台基础。
六、研究亮点
本研究的主要亮点包括：第一，首次实现了可穿戴微流控系统在无腺体压力驱动、无疏水性爆破阀、无主动流动控制条件下的确定性顺序腔室填充；第二，通过中央通气网络而非逐腔室通气孔，显著抑制了蒸发损失和返流污染；第三，通过串联毛细电路设计实现了对停止阀渗漏风险的动态时间限制，克服了中等疏水性材料在生理汗液条件下的局限；第四，cap-sweat平台以亚分钟级时间分辨率揭示了运动诱发皮质醇的早期瞬时激增和超日节律性振荡，展示了以往低时间分辨率采样方法无法检测到的急性应激生理特征。
七、其他有价值内容
研究还指出，cap-sweat的模块化架构支持延迟填充策略，可用于久坐或睡眠监测等非运动场景下的多小时间尺度纵向研究。平台紧凑且无需外部粘合剂，可同时部署于前额、前臂、胸部、上背部等多个解剖部位，以绘制生物标志物动态的空间异质性图谱。此外，未来将皮肤转运生理模型与毛细电路设计相结合，有望从机制层面解释时间分辨汗液信号与自主神经节律或激素脉冲性的关联。文章同时提及，诸如降钙素基因相关肽（calcitonin gene-related peptide，CGRP）、P物质和白细胞介素-6（interleukin-6，IL-6）等急性期介质可作为未来集成传感的目标分析物。