柔性生物電子器件正推動(dòng)健康監(jiān)測從醫(yī)院和實(shí)驗(yàn)室走向日常生活與體內(nèi)長期監(jiān)測。與傳統(tǒng)檢測方式相比，可穿戴和植入式柔性傳感器能夠與皮膚、心臟、胃腸道、傷口等軟組織形成緊密接觸，連續(xù)獲取生理和生化信息。然而，真實(shí)人體環(huán)境并不是靜止的：皮膚會(huì)被反復(fù)拉伸，胃會(huì)在進(jìn)食后顯著擴(kuò)張，腸道會(huì)蠕動(dòng)，心臟持續(xù)搏動(dòng)，傷口組織也會(huì)經(jīng)歷復(fù)雜變形。對于電化學(xué)分子傳感器而言，這些動(dòng)態(tài)形變往往會(huì)導(dǎo)致導(dǎo)電通路破壞、電極開裂、功能層脫落以及電化學(xué)信號漂移，從而嚴(yán)重影響檢測準(zhǔn)確性。

現(xiàn)有柔性生物電子技術(shù)已在心電、肌電、體溫、脈搏等物理信號監(jiān)測方面取得重要進(jìn)展，但面向分子級的高保真動(dòng)態(tài)化學(xué)檢測仍然面臨挑戰(zhàn)。其核心難點(diǎn)在于：電化學(xué)傳感器不僅需要在機(jī)械上能“拉得動(dòng)”，還必須在拉伸、彎曲和組織運(yùn)動(dòng)過程中保持穩(wěn)定的電荷傳輸、界面反應(yīng)和電極功能層完整性。

針對這一瓶頸，北京大學(xué)深圳研究生院徐亞東以及加州理工學(xué)院高偉教授團(tuán)隊(duì)開發(fā)了一種耐應(yīng)變本征可拉伸電化學(xué)生物界面，命名為SIRES。該工作以“Strain-resilient intrinsically stretchable electrochemical biointerfaces”為題在線發(fā)表于 Science上。論文第一作者為北京大學(xué)深圳研究生院助理教授徐亞東、加州理工學(xué)院博士生馬笑天和范可馨，通訊作者為高偉教授。該平臺(tái)可在高達(dá)300%拉伸應(yīng)變下維持高保真電化學(xué)讀數(shù)，并兼容伏安型、電位型和安培型等多種檢測模式。

SIRES 系統(tǒng)整體設(shè)計(jì)：從“可拉伸”走向“耐拉伸”

傳統(tǒng)柔性電化學(xué)器件常采用金屬薄膜、剛性導(dǎo)電材料或多層異質(zhì)堆疊結(jié)構(gòu)。在機(jī)械形變下，這些結(jié)構(gòu)容易出現(xiàn)微裂紋、層間脫粘和電化學(xué)信號失真。即使通過蛇形結(jié)構(gòu)等幾何設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)一定“表觀可拉伸性”，其電化學(xué)活性界面本身仍難以承受大幅應(yīng)變。

SIRES 的核心設(shè)計(jì)思路是構(gòu)建一個(gè)全彈性體、共價(jià)整合、可調(diào)電化學(xué)界面。該系統(tǒng)由三層組成：第一層是耐應(yīng)變導(dǎo)體層，用于在拉伸過程中維持穩(wěn)定電子傳輸；第二層是電學(xué)可調(diào)界面層，用于調(diào)節(jié)電機(jī)械耦合，同時(shí)保護(hù)底層導(dǎo)體免受生物流體腐蝕；第三層是可拉伸功能涂層，用于承載酶、離子敏感材料、電化學(xué)介體等不同傳感化學(xué)體系。

三層結(jié)構(gòu)均以聚氨酯彈性體為共同基體，通過材料相容性和共價(jià)界面整合，形成抗脫層的柔性電化學(xué)生物界面。與傳統(tǒng)“柔性基底上堆疊剛性電極”的思路不同，SIRES 從導(dǎo)體、界面到功能層均具備本征可拉伸特性，因此能夠在動(dòng)態(tài)組織環(huán)境中維持更穩(wěn)定的分子檢測能力。

圖1：SIRES 系統(tǒng)概覽與工作原理

耐應(yīng)變機(jī)制：讓拉伸導(dǎo)致的“信號漂移”相互抵消

在柔性電化學(xué)傳感中，拉伸并不只是簡單地改變器件形狀，還會(huì)同時(shí)改變電子傳輸、離子擴(kuò)散、電極表面積和電荷轉(zhuǎn)移過程。研究團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)，機(jī)械拉伸會(huì)引發(fā)兩個(gè)相互競爭的效應(yīng)：

一方面，電極表面在拉伸過程中會(huì)暴露更多電化學(xué)活性面積，從而增強(qiáng)反應(yīng)電流并降低電荷轉(zhuǎn)移阻抗；另一方面，拉伸也會(huì)增加導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò)和互連結(jié)構(gòu)的電阻，導(dǎo)致峰位移動(dòng)、信號衰減或波形畸變。

SIRES 的關(guān)鍵突破在于通過材料組成和界面電阻調(diào)控，使上述兩個(gè)效應(yīng)在電路層面形成補(bǔ)償。換言之，拉伸雖然會(huì)改變局部結(jié)構(gòu)，但系統(tǒng)總電阻可保持近似恒定，從而維持穩(wěn)定的電化學(xué)輸出。研究團(tuán)隊(duì)進(jìn)一步利用Modified Randles 等效電路對這一過程進(jìn)行建模，證明 SIRES 可以通過電路級設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)應(yīng)變下的高保真分子傳感。

圖2：SIRES 材料設(shè)計(jì)與耐拉伸性能表征

通用型多模態(tài)電化學(xué)傳感陣列：兼容伏安、電流和電位檢測

為了驗(yàn)證 SIRES 的通用性，研究團(tuán)隊(duì)進(jìn)一步構(gòu)建了多種典型電化學(xué)傳感器，覆蓋伏安型、安培型和電位型三類檢測模式。

在伏安型檢測中，團(tuán)隊(duì)利用碳納米管界面的高電化學(xué)活性構(gòu)建尿酸傳感器。該傳感器在高達(dá) 300% 拉伸應(yīng)變下仍保持穩(wěn)定靈敏度，僅出現(xiàn)很小的峰位偏移，并在 1000 次循環(huán)拉伸后保持良好檢測性能。

在安培型檢測中，團(tuán)隊(duì)構(gòu)建了可拉伸葡萄糖傳感器。通過將葡萄糖氧化酶、電化學(xué)介體和水性聚氨酯功能涂層整合到 SIRES 表面，傳感器可在不同拉伸狀態(tài)下穩(wěn)定檢測葡萄糖濃度。該可拉伸功能涂層還能有效保護(hù)傳統(tǒng)脆性電化學(xué)活性材料，抑制其在應(yīng)變下開裂和失效。

在電位型檢測中，團(tuán)隊(duì)構(gòu)建了基于聚苯胺的 pH 傳感器，其響應(yīng)斜率約為 55 mV/pH，并可在 300% 應(yīng)變和 1000 次循環(huán)拉伸后保持穩(wěn)定。此外，研究團(tuán)隊(duì)還開發(fā)了本征可拉伸 Ag/AgCl 參比電極，在 100% 應(yīng)變下循環(huán) 1000 次后電位漂移約 1 mV，為完整可拉伸電化學(xué)系統(tǒng)提供了關(guān)鍵基礎(chǔ)。

這些結(jié)果說明，SIRES 并不是某一種特定傳感器的結(jié)構(gòu)優(yōu)化，而是一種可適配不同傳感化學(xué)體系的通用型耐應(yīng)變電化學(xué)生物界面。

圖3：SIRES 多模態(tài)可拉伸電化學(xué)傳感

可穿戴汗液監(jiān)測：從運(yùn)動(dòng)場景中連續(xù)追蹤代謝變化

在可穿戴應(yīng)用中，研究團(tuán)隊(duì)將 SIRES 集成到可拉伸、透氣的汗帶中，構(gòu)建了一個(gè)用于汗液多模態(tài)分析的柔性生物電子系統(tǒng)。該系統(tǒng)包括一次性可拉伸傳感汗帶和可重復(fù)使用的柔性電子模塊，可通過藍(lán)牙將葡萄糖、乳酸和 pH 等信號實(shí)時(shí)傳輸至手機(jī)端。

與傳統(tǒng)依賴膠黏劑貼附的柔性貼片不同，SIRES 汗帶可利用自身彈性與額頭或手腕形成穩(wěn)定接觸，更適合運(yùn)動(dòng)狀態(tài)下的連續(xù)監(jiān)測。研究團(tuán)隊(duì)在健康志愿者中開展了騎行、跑步、劃船機(jī)和橢圓機(jī)等運(yùn)動(dòng)實(shí)驗(yàn)，結(jié)果顯示，該系統(tǒng)能夠在不同身體部位和不同運(yùn)動(dòng)場景下穩(wěn)定記錄汗液中葡萄糖、乳酸和 pH 的動(dòng)態(tài)變化。

這一結(jié)果表明，SIRES 有望用于運(yùn)動(dòng)健康管理、代謝狀態(tài)評估和個(gè)性化生理監(jiān)測，為未來可穿戴精準(zhǔn)健康設(shè)備提供新的界面基礎(chǔ)。

圖 4： SIRES 可穿戴汗液監(jiān)測系統(tǒng)

植入式動(dòng)態(tài)組織檢測：面向胃腸、傷口和腫瘤微環(huán)境

除可穿戴應(yīng)用外，SIRES 的更大優(yōu)勢在于能夠適應(yīng)體內(nèi)復(fù)雜動(dòng)態(tài)組織環(huán)境。研究團(tuán)隊(duì)首先將 SIRES 與體外搏動(dòng)豬心臟界面結(jié)合，證明其可在持續(xù)機(jī)械運(yùn)動(dòng)下保持貼合并穩(wěn)定檢測 pH、葡萄糖和乳酸等信號。

隨后，研究團(tuán)隊(duì)開展了多種動(dòng)物模型中的植入式驗(yàn)證。在胃部膳食反應(yīng)監(jiān)測中，SIRES 葡萄糖傳感器被安裝于大鼠胃漿膜表面，可在口服葡萄糖后記錄餐后葡萄糖動(dòng)態(tài)變化，顯示出與商業(yè)血糖檢測結(jié)果一致的生理趨勢。在胃漏檢測模型中，SIRES pH 傳感器可快速響應(yīng)不同 pH 的模擬泄漏液體，并區(qū)分不同嚴(yán)重程度的胃漏事件。

在糖尿病傷口模型中，SIRES 多模態(tài)陣列可同時(shí)檢測傷口滲液中的過氧化氫、乳酸和 pH，并在細(xì)菌感染后捕捉到與炎癥代謝相關(guān)的信號變化。在炎癥性腸病模型中，SIRES 乳酸傳感器能夠記錄腸道炎癥進(jìn)展及治療后的乳酸變化。在膀胱腫瘤模型中，SIRES 過氧化氫傳感器檢測到腫瘤附近組織中過氧化氫水平明顯升高，反映了腫瘤微環(huán)境中的氧化應(yīng)激特征。

此外，SIRES 在大鼠體內(nèi) 28 天皮下植入后顯示出良好的生物相容性，預(yù)示著其未來用于長期植入式生物電子監(jiān)測的潛力。

圖5：SIRES 植入式動(dòng)態(tài)組織分子監(jiān)測

小結(jié)

SIRES 突破了柔性電化學(xué)傳感器在動(dòng)態(tài)組織環(huán)境中的核心瓶頸。該平臺(tái)通過耐應(yīng)變導(dǎo)體、電學(xué)可調(diào)界面和可拉伸功能涂層的協(xié)同設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)了從“本征可拉伸”到“電化學(xué)信號耐應(yīng)變”的跨越。更重要的是，SIRES 并非只適用于單一分子或單一檢測場景，而是能夠兼容伏安型、電位型和安培型多種電化學(xué)模式，并可拓展至可穿戴汗液監(jiān)測和植入式器官分子檢測。

這項(xiàng)工作為未來柔性生物電子器件的發(fā)展提供了新的設(shè)計(jì)范式：真正面向真實(shí)人體環(huán)境的生物電子系統(tǒng)，不僅要柔軟、可拉伸、可貼合，更要在持續(xù)變形中保持分子信號的準(zhǔn)確性和長期穩(wěn)定性。未來，SIRES 有望進(jìn)一步拓展至慢病管理、術(shù)后并發(fā)癥預(yù)警、傷口感染評估、胃腸道疾病監(jiān)測、腫瘤微環(huán)境分析以及閉環(huán)精準(zhǔn)醫(yī)療等應(yīng)用場景。

作者簡介

徐亞東，現(xiàn)任北京大學(xué)深圳研究生院研究員、助理教授、博士生導(dǎo)師，入選國家高層次人才計(jì)劃青年項(xiàng)目。曾在美國加州理工學(xué)院醫(yī)學(xué)工程系從事博士后研究。他本科畢業(yè)于四川大學(xué)材料化學(xué)專業(yè)，隨后獲得英國倫敦大學(xué)學(xué)院藥物科學(xué)碩士學(xué)位，并于美國密蘇里大學(xué)哥倫比亞分校獲得化學(xué)工程博士學(xué)位。其長期致力于新一代生物集成電子技術(shù)研究，聚焦精準(zhǔn)與個(gè)性化醫(yī)療中的關(guān)鍵臨床需求，圍繞柔性生物材料設(shè)計(jì)、可規(guī)模化制造、多模態(tài)可穿戴與植入式器件，以及人工智能賦能的數(shù)據(jù)分析與診斷，構(gòu)建了從材料、制造到器件與智能診療的一體化研究體系。曾獲國家優(yōu)秀自費(fèi)留學(xué)生獎(jiǎng)學(xué)金、Outstanding Chemical Engineering PhD Student Award、Raymond White Dissertation Year Fellowship等獎(jiǎng)勵(lì)，現(xiàn)任Springer Nature旗下 Discover Electronics 編委。迄今已發(fā)表20余篇研究論文，以第一作者身份在 Science, Nat. Nanotechnol., Sci. Adv., PNAS 等期刊發(fā)表多篇研究成果，論文總引用2,000余次，相關(guān)研究受到 Nature、Nature Nanotechnology、Matter 等期刊以及《Scientific American》、《Science Daily》等逾百家媒體報(bào)導(dǎo)。目前課題組正在大力招收柔性電子、生物傳感、可穿戴/植入式精準(zhǔn)醫(yī)療設(shè)備、柔性功能材料、智能制造及 AI 健康診斷等方向的博士后、科研助理和聯(lián)合培養(yǎng)博士生，歡迎材料、化學(xué)、物理、生物醫(yī)學(xué)、機(jī)械、電子、人工智能等相關(guān)背景的申請人加入。感興趣者可將個(gè)人簡歷及代表性成果發(fā)送至yadongxu@pku.edu.cn，郵件主題注明“姓名-職位申請類型-所在單位”。

高偉，現(xiàn)任美國加州理工學(xué)院醫(yī)學(xué)工程系終身教授，擔(dān)任 Science Advances, Biosensors & Bioelectronics, Sensors & Diagnostics與npj Flexible Electronics等多個(gè)國際期刊副主編。曾獲評美國自然科學(xué)基金委杰出青年獎(jiǎng)、國際醫(yī)學(xué)與生物工程科學(xué)院杰出青年獎(jiǎng)、海軍研究總署青年科學(xué)家獎(jiǎng)、斯隆研究獎(jiǎng)、IEEE醫(yī)學(xué)與生物學(xué)工程學(xué)會(huì)技術(shù)成就獎(jiǎng)、IEEE醫(yī)學(xué)與生物學(xué)工程學(xué)會(huì)青年成就獎(jiǎng)、IEEE傳感器理事會(huì)技術(shù)成就獎(jiǎng)、世界經(jīng)濟(jì)論壇青年科學(xué)家、美國化學(xué)會(huì)青年研究員獎(jiǎng)等諸多獎(jiǎng)項(xiàng)，入選IEEE會(huì)士、美國醫(yī)學(xué)與生物工程院會(huì)士（AIMBE）、英國皇家化學(xué)協(xié)會(huì)會(huì)士（RSC）和麻省理工技術(shù)評論“35歲以下科技創(chuàng)新35人”全球榜單。近五年來課題組工作在Science, Nat. Biotechnol., Nat. Biomed. Eng., Nat. Electron., Nat. Mater., Nat. Nanotechnol., Nat. Rev. Bioeng., Nat. Chem. Eng., Nat. Mach. Intell., Nat. Rev. Mater., Nat Commun., Sci. Transl. Med., Sci. Robot., Sci. Adv. 等期刊發(fā)表論文60余篇。總引用超過50,000次，H-index 106。

論文鏈接：

science.org/doi/10.1126/science.aed1630