北京大学深圳研究生院、美国加州理工学院 : 可穿戴电化学生物传感器登上Science!

可拉伸生物电子学能够与柔软、动态的组织实现紧密集成,并通过在运动过程中保持共形接触,推动了物理健康监测技术的发展。将这些优势拓展至化学传感领域却面临挑战,这是因为电化学读数依赖于电荷传输与界面反应的耦合过程,而这两者极易受机械形变的影响。在实际应用中,拉伸会改变电路电阻、改变电化学活性表面积,并调控界面动力学与物质传输,这些因素共同导致伏安信号和安培信号失真,同时引发基线漂移。

这类形变引发的信号干扰在发生大幅、持续形变的组织上尤为棘手,例如日常活动中的皮肤,以及蠕动和扩张状态下的胃肠器官。在这些部位,即使是轻微的信号不稳定,也会影响生物标志物的定量解读。因此,在动态组织上实现可靠的分子传感仍存在局限,这也限制了以生物标志物为核心的可穿戴与植入式系统的发展,使其难以突破生命体征物理监测,迈向基于化学分析的连续健康监测。

2026528日,北京大学深圳研究生院助理教授徐亚东、美国加州理工学院马笑天、范可馨等人介绍了一种用于弹性电化学传感SIRES)的内在可拉伸界面。该界面由应变弹性导体,电可调夹层,和可拉伸的功能性涂层。通过抵消应变引起的电阻随着活性表面积的增加而增加,SIRES在高达300%的应变下保持接近恒定的电阻和高保真的电化学读数。

该平台支持伏安法,电位法,和安培模式,并使多路分子监测在动态变形的组织在可穿戴和植入的格式。其统一的架构提供了抗分层接口适合长期使用,和设计规则推广到基于亲和力的转导,建立了一条通往应变弹性分子传感的途径,用于精确诊断和治疗。

对于柔软、可拉伸的生物电子学而言,在运动组织上实现稳定的分子读数极具挑战。现有器件平台往往依赖不可拉伸的基底或脆性导体,在形变下会出现开裂、分层,丧失电学与电化学完整性。形变还会干扰电极形貌、电化学活性面积和离子传输,功能涂层则可能发生断裂或脱落,最终共同导致信号波形畸变、检测保真度下降。

作者认为,抗形变电化学传感需要采用材料与电路耦合策略,在形变过程中同时保障电荷传输与电化学界面稳定性

据此,团队设计了一款全弹性、本征可拉伸的三层结构界面,通过电化学活性面积的提升抵消形变引发的电阻升高,从而维持总电阻近乎恒定,保障信号保真度。

研究结果(RESULTS

一种抗形变、本征可拉伸的电化学传感界面(SIRES),由三层弹性材料构成:

1)相分离液态金属导体,保障电荷稳定传输;

2)电学可调的碳纳米管 - 聚氨酯中间层,调控机电耦合特性;

3)可拉伸功能涂层,稳定生物活性传感单元。

 

 


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