研究背景
生物流体如血液、尿液、唾液和汗液中的生物标记物，指示着人类的生理过程和疾病状态，被广泛用于医学诊断和健康监测。然而，尿液和血液分析成本高昂、操作不便，而且难以实现连续监测，而唾液分析则受到食物残渣和细菌的干扰，影响准确性。可穿戴传感器为原位、连续和无创检测人体汗液生物标志物（如代谢产物、电解质、维生素和氨基酸）提供了一种替代手段。出汗可通过体育锻炼、离子电渗和药物应用（如毛果芸香碱）来诱导，但从不活跃人群身上获取汗液是一项挑战，长期使用离子电渗法或排汗药物会导致患者不适和副作用，如病变和腹泻。
固态表皮生物标志物（SEBs）有望在无需排汗或静脉穿刺的情况下，实现便捷、原位、连续的健康监测（图1a、b）。角质层中的固态胆固醇、乳酸和葡萄糖已被证明分别与高脂蛋白血症、心血管疾病和糖尿病高度相关。然而，由于现有的固体电极难以形成电化学传感所需的离子和电子传导路径，因此，固态生物标志物的原位检测仍面临挑战。
研究成果
近日，新加坡国立大学刘宇鑫和新加坡科学技术研究局杨乐，联合报道了一种完全可拉伸的可穿戴电子传感器，实现了对人类皮肤上普遍存在的固态生物标志物的原位检测。这种固态表皮生物标志物传感器（称为SEB传感器）采用一种离子-电子双层水凝胶，以促进固态生物标志物的溶剂化、扩散和电化学反应。展现了对水溶性分析物（如固体乳酸）和水不溶性分析物质（如固体胆固醇）的连续监测，检测限分别为0.51和0.26nmol·cm-2。与传统的液体传感电化学界面相比，该研究的双层水凝胶电化学界面将运动伪影减少了3倍。在一项临床研究中，通过可拉伸可穿戴传感器测量的固态表皮生物标志物与人类血液中的生物标志物高度相关，并与生理活动动态相关。这些结果为无需生物流体采集的生物标志物监测通用平台提供了途径。
相关研究工作以“Stretchable ionic-electronic bilayer hydrogel electronics enable in situ detection of solid-state epidermal biomarkers”为题发表在国际顶级期刊《Nature Materials》上。
研究内容
1、双层水凝胶的设计、合成与表征
通过在苯乙烯-乙烯-丁烯-苯乙烯（SEBS）弹性体基底上丝网印刷可拉伸的银基互连和ECH前体层，制造了SEB传感器（图1e）。以聚（3，4-亚乙基二氧噻吩）聚苯乙烯磺酸酯（PEDOT:PSS）、亚铁氰化铁（III）和水性聚氨酯（WPU）为原料制备了ECH前体浆料。二甲基亚砜（DMSO）通过桥接PEDOT核心，用于调节PEDOT:PSS的形态，随后通过热退火去除。干燥的ECH前体糊剂在滴注ICH前体溶液（含有98%的水）时，由于其亲水性而膨胀到ECH中，形成互连的双层水凝胶结构。
为了证明SEB传感器的多功能性，将胆固醇氧化酶和乳酸氧化酶集成到ECH中，分别用于检测水不溶性固体胆固醇和水溶性固体乳酸。亚铁氰化铁（III）用作电化学介质，以增加ICH和ECH连接处的电子转移速率，并降低电化学反应中的过电位，从而获得更高的传感器灵敏度和更宽的检测范围。
图1. SEBs可拉伸传感器的设计和机理
2、SEB传感器的特性
使用计时电流法在-0.1V的偏置电压下测量SEB的面积密度（图2a，b）。校准曲线显示氧化还原电流和分析物面积密度之间的线性相关性（图2c，d），固体胆固醇和乳酸传感器中线性区域的Pearson相关系数为0.99。固体胆固醇的检测限为0.26nmol·cm-2，固体乳酸的检测限是0.51nmol·cm-2，接近质谱法的检测限。SEB传感器在检测其他固态表皮分析物时，表现出优异的选择性。除了酶的特异性外，ICH层还起到阻止蛋白质等大分子扩散和污染的屏障作用，从而减轻传感器生物污垢（图2e）。基基于琼脂糖的ICH层的存在稳定了酶活性，保留了60%的灵敏度，而裸电极在储存4周后完全失效。我们的分析还揭示了两种方法测量的胆固醇（图2f）和乳酸（图2g）生物标志物数量之间的线性关系，Pearson相关系数分别为0.82和0.90。
图2. 固态分析物传感器的体外表征
3、可拉伸传感器贴片的力学特性
软SEB传感器（图3a）表现出优异的适应性、顺应性和皮肤舒适性，尽管与其他超薄薄膜电子器件相比，其在ICH-ECH区域的厚度相对较高（40-50µm）（图3b，c）。与柔性聚酰亚胺基板施加的最大主应变相比，SEB传感器在皮肤上施加的最大主要应变更低。当拉伸时，传感器的电化学阻抗（在1Hz下）相对稳定，在40%的应变下增加了76%（图3d）。与液态电化学传感器相比，SEB传感器中的ICH-ECH水凝胶双层显示出运动伪影的振幅降低了3倍（图3e）。这可归因于峰值水剪切流速从液体界面处的4.5mm·s-1降低到水凝胶界面处的0.27μm·s-1，这对双层电容和分析物浓度梯度的破坏较小（图3f），并且与贴片在相同总应变下的液体界面相比，水凝胶界面的应变变形较小（图3g）。
图3. 固态分析物传感器的机电特性和建模
4、人体志愿者日常活动的人体试验
通过对10名人类志愿者的研究，观察到SEB传感器测得的面积密度与胶带剥离和胆固醇（图4a）和乳酸（图4c）比色测定试剂盒测得的区域密度之间的线性关系。胆固醇和乳酸的线性关系的Pearson相关系数分别为0.93和0.96。在连续监测固态乳酸的实验中，在禁食过夜的情况下，分别对进食前、进食后1.5h和进食后3.5h进行了测量。结果显示，在进食1.5h后，固态表皮乳酸盐面积密度从684.6nmol·cm-2显著增加到1132.3nmol·cm-2，随后在进食3.5h后恢复到基线水平（图4b），与之前研究一致。
在整个测试期间，并未在皮肤和SEB传感器之间观察到积聚的汗液，可能是由于SEB传感器的高水蒸气传输率。即使在轻度出汗的情况下，SEB传感器仍能正常工作，信号漂移率为38.9%。然而，在广泛运动（如跑步）期间，信号漂移增加了一倍多。此外，进行了刺激性测试以评估SEB传感器与人类皮肤的兼容性，结果显示，所有参与测试的志愿者均未对该装置表现出任何不良反应。总之，这些结果表明，SEB传感器在监测日常活动（如食物摄入）对人类生化生理的影响方面具有极好的可靠性和准确性。
图4. SEB传感器穿戴在身体上的评估
结论与展望
迄今为止，可穿戴传感器的研究主要集中在生物流体生物标志物上，如汗液中的生物标志物，而固态生物标志物的监测因传感模式的缺乏而相对滞后。为了解决这一问题，我们报道了一种用于SEBs的可穿戴电子系统，能够实现原位、连续、无线和皮肤集成传感。我们的SEB传感器解决了血液检测所带来的侵入性和不连续性以及身体不活跃人群难以收集汗液的挑战。该传感器技术利用ICH-ECH双层水凝胶器件结构作为溶剂化-扩散层，实现了固态分析物的连续氧化还原反应。此外，与生物流体传感器相比，这种双层水凝胶在电化学数据采集过程中诱导的运动伪影更小。人体研究表明，SEB和血清生物标志物之间有很强的相关性，表明SEB传感器可作为监测慢性疾病的替代解决方案。当监测生理活动期间的SEB动态波动时，我们的SEB传感器通过消除如汗液诱导药物等潜在混杂因素，实现了准确的生物标志物测量。
展望未来，通过提高传感器的工作时间、利用高保水性离子水凝胶系统保持高灵敏度，以及通过纳米材料和计算酶设计（如AlphaFold）增强酶稳定性等手段，来进一步优化传感器性能。此外，水凝胶微通道的未来发展有望促进生物标志物和电化学副产物从ICH-ECH界面的有效传输，从而获得更快的响应时间和更宽的动态范围。整合更多种类的固态分析物，包括大分子，有望实现基于非生物流体的全民筛查。我们设想，SEB传感技术将在体力活动和久坐人群中、孕妇等受医疗困扰的个人中广泛适用，因为它能够进行原位筛查和对分析物动态的长期、连续监测。SEB传感器的非侵入性和类似皮肤的形状因子提供了一种有吸引力的替代方案，可以部分取代传统的小分子血液检测，使其成为远程患者监测和慢性病管理的诱人解决方案。这项技术在非法药物检测、食品安全、安保和国防以及环境监测等非医疗领域也具有广泛的应用前景。
文献链接：
https://www.nature.com/articles/s41563-024-01918-9
