Advanced Materials:本征可拉伸的体表生物传感器

体表蕴含着丰富的生化信息,它们与人体健康息息相关。体表电信号(肌电、心电、脑电)已成为了临床上,非侵入式检测疾病的重要手段。更有趣的是,研究者在人体分泌物中发现了多种代谢产物(葡萄糖、乳酸、钠离子、钾离子等)、痕量的蛋白质和核酸等等。开发体表生物传感器,有望开启一扇在分子层面,非侵入、精确监测人体健康的窗口。他们将成为未来移动健康系统的数据采集端,满足精准、个性化医疗的需求,极大的缓解医疗资源紧缺,因此也成为了下一代可穿戴器件的重要突破口。

然而,体表生物传感器的可靠性和稳定性一直备受诟病。相对生理电信号电极,生物传感器构造更为复杂。这些生化分子绝大部分不能直接产生电学、光学信号,为了检测生化分子,需要设计生物识别反应,并耦合信号转换过程,将生化分子信号间接读取出来。在传统生物传感器的设计中,仅需考虑反应本身的效率问题。而对于体表生物传感器来说,更为挑战的是,在柔性、多形变的体表是否依然可靠、稳定?

新加坡南洋理工大学陈晓东教授课题组和倪冉教授课题组合作,通过模拟酶级联反应的传质规律,揭示了力学形变会诱导中间反应物扩散路径改变,从而导致体表生物传感器性能不稳定。根据这个发现,他们设计出可自调控曲率的体表电极,抑制了扩散路径的改变,从而实现了具有形变耐受性的酶级联反应,并制备出本征可拉伸的体表生物传感器。

目前,制备可形变生物传感器通常采用软、硬结合的策略,即将传感单元固定在硬质部分、结合可拉伸的连接电路,从而避免形变对传感功能单元的影响,同时赋予传感器一定可拉伸性。但这种方法,未从根本上解决体表生物传感器的问题,且软、硬连接处应力集中易断裂的缺点,也制约这种方法的广泛使用。因此,该研究旨在明确体表传感器的根本科学问题,从而制备出本征可拉伸的生物传感器。

该研究首先构建了界面酶级联反应传质扩散体系。高效的酶级联反应通常被用于生物传感,例如基于葡萄糖氧化酶/过氧化物酶、乳酸氧化酶/过氧化物酶级联反应的葡萄糖、乳酸传感器等。通过理论、模拟,研究人员发现力学形变会诱导中间反应物扩散路径改变,导致传感器性能衰减。根据这一发现,研究人员通过电极结构设计,在拉伸过程自动调节曲率,抑制了扩散路径的改变,有效保持级联反应的形变耐受性。

为了进一步验证曲率调节策略的有效性,作者通过预拉伸-电化学沉积的方法,制备了柔性波浪型生物电极,同时制备了平面生物电极,对比了二者分别在动态、静态拉伸状态下的机械稳定性。在50%静态应变下,平面电极分别下降40.3%、51.8%,而波浪传感器仅出现了信号的波动(7.0%、4.9%)。在动态拉伸下,波浪传感器稳定性良好,而平面传感器出现了明显的性能衰减。进一步将波浪传感器贴附于人体颈部,在颈部转动过程,波浪传感器均展现出良好的形变耐受性,同时具有很好的灵敏度。

该研究从酶级联反应出发,结合传质模拟和传感实验,揭示了传质过程对于体表生物传感稳定性的关键机制,由此提出可调节曲率的生物电极,提供了一种可靠的生物化学信息转换平台。该平台可以扩展为多种生物标记物的检测,服务于未来移动健康系统,为下一代智能可穿戴器件开辟了新的路径。