可穿戴传感器助力安全母乳喂养：监测母乳中对乙酰氨基酚转移

这篇研究开发了一种可穿戴的即时护理（point-of-care）平台，能在家庭和身体上检测产后母乳中的对乙酰氨基酚（acetaminophen）。该平台将电化学传感集成到哺乳垫中，可帮助母亲做出明智决策，优化 “泵奶并丢弃” 策略，减少母乳浪费，对保障母婴健康意义重大。

　　

引言

母乳喂养对婴儿的健康成长至关重要，世界卫生组织推荐婴儿在出生后的前 6 个月进行纯母乳喂养。母乳不仅为新生儿提供了理想的营养平衡，还含有抗炎物质和抗体，有助于增强婴儿的免疫系统。然而，许多女性在产后会服用止痛药和 / 或抗生素来促进恢复，这些药物可能会通过母乳传递给婴儿，引发担忧。对乙酰氨基酚是产后常用的止痛药，也是儿童常用退烧药，但它存在潜在风险，可能导致急性肝衰竭等严重健康问题，尤其对肝脏发育不完全的婴儿危害更大。

目前，检测母乳中药物浓度的方法存在诸多局限性。传统的高效液相色谱 - 质谱联用（HPLC-MS）技术虽然是金标准，但需要昂贵的设备、复杂的样本制备和专业人员操作，不适合在家中或即时护理场景下使用。其他现有的母乳分析服务，如通过邮寄样本进行营养成分检测的方法，不仅成本高，而且无法即时监测，存在结果延迟等问题，并且都不能检测对乙酰氨基酚。因此，开发一种快速、便捷、低成本的检测母乳中对乙酰氨基酚的工具至关重要。

结果

1. 智能哺乳垫概述：智能哺乳垫在传统哺乳垫基础上进行创新，集成了微流体通道和柔性激光诱导石墨烯（LIG）电极。微流体通道可将泄漏的母乳引导至 LIG 电极表面，便于进行电化学分析。信号读取可通过连接到哺乳垫的柔性电位计实现连续监测，也可在更换哺乳垫时使用便携式电位计进行单点监测，并通过蓝牙将数据传输到智能手机上。
2. 电极制造：采用激光雕刻技术在聚酰亚胺（PI）薄膜上制造 LIG 电极，通过中心复合设计（CCD）优化激光雕刻参数，如焦点距离、图像密度、功率和激光源的移动速度等。优化后的电极具有较高的导电性和较大的电化学表面积，确定了 7.6% 的功率和 0.280 英寸的焦点长度为最佳制造参数。
3. 电极表征：通过扫描电子显微镜（SEM）、能量色散 X 射线光谱（EDX）、拉曼光谱和 X 射线光电子能谱（XPS）等技术对 LIG 电极进行表征。结果显示，激光雕刻产生了 57μm 厚的多孔碳结构，具有高表面积，且有效碳化了 PI，形成了多层石墨烯结构。循环伏安法（CV）测试表明，该电极的氧化电流、还原电流和峰分离随扫描速率增加而增加，且峰电流与扫描速率的平方根呈线性关系，计算得到的活性表面积为 62.56 ± 0.59mm2，约为几何表面积的五倍。
4. 对乙酰氨基酚的电化学检测：利用方波伏安法（SWV）在接近母乳 pH 值（7.8）的缓冲溶液中检测对乙酰氨基酚，该电极对其具有高灵敏度，检测限为 0.811μA/μM。在不同 pH 值条件下研究发现，氧化电位随 pH 值升高向负值移动，在 pH 值为 7.8 时峰电流最大。在人乳中也成功检测到对乙酰氨基酚，且其氧化峰在人乳中的电压比在缓冲溶液中更高，这可能是受溶液中氯离子浓度影响。
5. 传感器集成与测量：将 LIG 电极与 5cm 长的纸基微流体通道集成到哺乳垫中，通过添加绿色染料和 [Fe (CN)₆]^3?/4?混合物验证了流体传输的有效性。在 6 个月产后的母乳样本中进行测试，该传感器对不同浓度的对乙酰氨基酚呈现出良好的线性响应，线性范围为 10.0 - 600.0μM，灵敏度为 17.131μA/mM。同时，该传感器具有良好的重复性、稳定性和抗机械变形能力，在不同产后时间的母乳样本中均能准确检测对乙酰氨基酚。
6. 干扰研究：通过向不同供体在不同哺乳阶段收集的母乳中添加抗生素，研究发现母乳中天然存在的成分以及常见的产后抗生素均不会干扰对乙酰氨基酚的电化学测量，确保了该传感器检测的准确性。
7. 连续测量：为实现连续监测，对智能哺乳垫进行改进，将纸基通道的末端与哺乳垫的吸收材料相连，利用吸收材料的吸水性持续补充新鲜母乳。同时，通过在电极表面涂覆由牛血清白蛋白（BSA）、戊二醛（GA）和 Nafion 组成的水凝胶，有效解决了电极在多次测量中的生物污染和吸附问题，使传感器能够在 2 小时内进行重复测量，且变化小于 10%，可用于研究药物在母乳中的药代动力学。

讨论

这项研究首次开发了用于家庭中定量检测母乳中对乙酰氨基酚的即时护理和可穿戴传感器，填补了相关技术空白。该传感器通过激光雕刻技术制造，成本低且可扩展，集成到哺乳垫中方便使用，能够帮助父母优化 “泵奶并丢弃” 策略，减少婴儿对药物的暴露。同时，该设备还可作为研究工具，用于实时分析母乳中药物的释放情况，对研究药物在母乳中的药代动力学具有重要意义，有望在临床和研究领域产生重大影响。

方法

1. 材料和试剂：实验中使用的化学试剂包括对乙酰氨基酚、氯化钾、氢氧化钠等，均购自 Sigma - Aldrich 等公司，实验用水为电阻率 18.20MΩ/cm 的去离子水。
2. 牛奶样本：人母乳样本来自非营利组织 Mothers’ Milk Bank，该组织提供的样本经过巴氏消毒，所有涉及人乳样本的工作均经过大学机构审查委员会批准。
3. 材料表征：采用 EDX、SEM、拉曼光谱和 XPS 等技术对材料进行表征，通过四点探针系统测量薄片电阻率。
4. 电化学测量：使用 CHI 760E 和 Sensit BT 进行 CV 和 SWV 测试，通过定制的印刷电路板（PCB）连接 LIG 电极和电位计，按照特定方法制备 BR pH 缓冲液。
5. 电极制造：对 Kapton 聚酰亚胺薄膜进行清洗、干燥后，在激光雕刻机中进行图案雕刻，然后标记工作电极和参考电极，最后切割成所需形状。
6. 电极表面修饰：制备含有 BSA、GA 和 Nafion 的溶液，按一定比例混合后滴涂在电极上，真空干燥过夜。
7. 哺乳垫集成：从商业一次性哺乳垫出发，通过打孔、添加疏水材料、亲水织物、激光切割纤维素纸和 LIG 电极等步骤，制作成智能哺乳垫，并使用透明胶带固定。
8. 数据处理和统计分析：实验结果取至少三个不同电极的平均值并计算标准差，利用 pybaselines 库进行背景电流校正，使用 SciPy 库进行线性回归和构建校准曲线。

资源可用性

1. 主要联系人：如需进一步信息和资源，可联系主要联系人 Maral P. S. Mousavi（[e-mail]）。
2. 材料可用性：本研究未产生新的独特材料。
3. 数据和代码可用性：支持本研究的所有数据均在文章及其补充信息中，或可应合理要求从相应作者处获取。