【儀表網(wǎng) 研發(fā)快訊】近日，北京大學(xué)深圳研究生院新材料學(xué)院助理教授徐亞東與美國加州理工學(xué)院高偉教授團(tuán)隊(duì)在柔性生物電子與電化學(xué)傳感方向取得重要進(jìn)展。相關(guān)研究成果以“Strain-resilient intrinsically stretchable electrochemical biointerfaces”為題，在線發(fā)表于國際頂級(jí)學(xué)術(shù)期刊《科學(xué)》(Science)。徐亞東為論文第一作者，高偉為通訊作者。
 

　　該研究首次提出了一種通用型耐應(yīng)變本征可拉伸電化學(xué)生物界面，即SIRES。該平臺(tái)通過材料組成、界面結(jié)構(gòu)和電化學(xué)傳輸過程的協(xié)同設(shè)計(jì)，在高達(dá)300%拉伸應(yīng)變下保持高保真電化學(xué)輸出，并兼容伏安型、電位型和安培型等多種檢測模式。研究進(jìn)一步展示了SIRES在可穿戴汗液監(jiān)測和植入式動(dòng)態(tài)組織分子檢測中的應(yīng)用潛力，為柔性生物電子器件在真實(shí)生理環(huán)境中的穩(wěn)定運(yùn)行提供了新的設(shè)計(jì)范式。
 

　　柔性生物電子器件可與皮膚、心臟、胃腸道和傷口等軟組織形成緊密界面，在連續(xù)健康監(jiān)測、疾病預(yù)警和精準(zhǔn)醫(yī)療中具有重要應(yīng)用前景。近年來，柔性電子技術(shù)已在心電、肌電、體溫和脈搏等物理信號(hào)監(jiān)測方面取得快速發(fā)展。然而，面向分子標(biāo)志物的連續(xù)電化學(xué)檢測仍面臨關(guān)鍵挑戰(zhàn)。
 

　　真實(shí)人體組織處于持續(xù)動(dòng)態(tài)形變環(huán)境中。皮膚牽拉、心臟搏動(dòng)、胃腸擴(kuò)張蠕動(dòng)以及傷口組織重塑等過程，均會(huì)改變電極界面形貌、導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò)、離子傳輸和功能涂層穩(wěn)定性。傳統(tǒng)柔性電化學(xué)器件多依賴金屬薄膜、剛性導(dǎo)電層或異質(zhì)堆疊結(jié)構(gòu)，在形變過程中容易出現(xiàn)裂紋、脫層和信號(hào)漂移。因此，面向真實(shí)應(yīng)用的柔性電化學(xué)器件不僅需要具備機(jī)械可拉伸性，更需要在動(dòng)態(tài)變形中保持穩(wěn)定、準(zhǔn)確的分子信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)能力。
 

　　針對(duì)上述問題，研究團(tuán)隊(duì)提出SIRES平臺(tái)，構(gòu)建了由耐應(yīng)變導(dǎo)體層、電學(xué)可調(diào)界面層和可拉伸功能涂層組成的全彈性體3層結(jié)構(gòu)。其中，耐應(yīng)變導(dǎo)體層用于維持穩(wěn)定電子傳輸，電學(xué)可調(diào)界面層用于調(diào)控應(yīng)變下的電機(jī)械耦合和界面電化學(xué)行為，可拉伸功能涂層用于承載酶、電化學(xué)介體、離子敏感材料等傳感組分。不同于傳統(tǒng)在柔性基底上集成剛性電極的設(shè)計(jì)，SIRES將導(dǎo)電、界面調(diào)控和功能傳感層統(tǒng)一整合于彈性體體系中，實(shí)現(xiàn)了本征可拉伸和界面抗脫層。該結(jié)構(gòu)使電化學(xué)界面能夠在大幅機(jī)械變形下維持穩(wěn)定的結(jié)構(gòu)完整性和信號(hào)輸出。
 

　　研究團(tuán)隊(duì)進(jìn)一步揭示了SIRES的耐應(yīng)變電化學(xué)機(jī)制。機(jī)械拉伸會(huì)同時(shí)引起電化學(xué)活性面積增加和導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò)電阻升高：前者有助于增強(qiáng)反應(yīng)電流并降低電荷轉(zhuǎn)移阻抗，后者則可能導(dǎo)致峰位偏移和信號(hào)衰減。SIRES通過調(diào)控材料組成和界面電阻，使這兩類應(yīng)變誘導(dǎo)效應(yīng)在電路層面形成補(bǔ)償，從而維持近似恒定的總電阻和穩(wěn)定的電化學(xué)響應(yīng)。
 

　　為驗(yàn)證SIRES的通用性，研究團(tuán)隊(duì)構(gòu)建了覆蓋伏安型、安培型和電位型3類模式的可拉伸電化學(xué)傳感器。平臺(tái)可實(shí)現(xiàn)尿酸的伏安檢測、葡萄糖的安培檢測以及pH的電位檢測，并進(jìn)一步集成本征可拉伸參比電極和對(duì)電極，為完整可拉伸電化學(xué)系統(tǒng)的構(gòu)建提供基礎(chǔ)。結(jié)果表明，SIRES并非針對(duì)單一分子或單一檢測方式的結(jié)構(gòu)優(yōu)化，而是一種具有普適性的耐應(yīng)變電化學(xué)生物界面，可適配不同電化學(xué)反應(yīng)機(jī)制和傳感化學(xué)體系。
 

　　在可穿戴應(yīng)用中，研究團(tuán)隊(duì)將SIRES集成于可拉伸、透氣汗帶中，構(gòu)建了用于汗液多模態(tài)分析的無線柔性生物電子系統(tǒng)。該系統(tǒng)可實(shí)時(shí)監(jiān)測汗液中的葡萄糖、乳酸和pH，并在騎行、跑步、劃船機(jī)和橢圓機(jī)等運(yùn)動(dòng)場景中保持穩(wěn)定輸出，展示了其在運(yùn)動(dòng)健康管理和個(gè)性化代謝監(jiān)測中的潛力。
 

　　在植入式應(yīng)用中，研究團(tuán)隊(duì)進(jìn)一步展示了SIRES在胃、傷口、腸道和膀胱等動(dòng)態(tài)組織環(huán)境中的分子檢測能力。該平臺(tái)可用于胃部膳食反應(yīng)監(jiān)測、胃漏檢測、糖尿病傷口炎癥分析、炎癥性腸病相關(guān)乳酸檢測以及膀胱腫瘤相關(guān)過氧化氫檢測。同時(shí)，體內(nèi)植入實(shí)驗(yàn)顯示SIRES具有良好的生物相容性，為長期植入式監(jiān)測應(yīng)用奠定了基礎(chǔ)。
 

　　該研究將柔性電化學(xué)生物電子的設(shè)計(jì)目標(biāo)從“可拉伸”進(jìn)一步推進(jìn)到“耐應(yīng)變信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)”。SIRES通過材料、界面和電化學(xué)傳輸過程的協(xié)同設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)了動(dòng)態(tài)形變條件下穩(wěn)定、準(zhǔn)確的分子檢測，為柔性生物電子在真實(shí)生理環(huán)境中的長期運(yùn)行提供了新的設(shè)計(jì)范式。
 

　　該工作揭示了應(yīng)變下電化學(xué)信號(hào)穩(wěn)定的新機(jī)制，即通過平衡活性面積變化、界面阻抗演化和導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò)電阻變化，實(shí)現(xiàn)高保真電化學(xué)輸出。該機(jī)制為動(dòng)態(tài)組織界面上的電化學(xué)傳感行為提供了新的理解和調(diào)控思路。
 

　　從應(yīng)用前景看，SIRES兼容多種電化學(xué)檢測模式，并已在可穿戴汗液監(jiān)測和植入式組織分子檢測中得到驗(yàn)證。未來，該平臺(tái)有望拓展至運(yùn)動(dòng)健康管理、慢病連續(xù)監(jiān)測、術(shù)后并發(fā)癥預(yù)警、傷口感染評(píng)估、胃腸道疾病監(jiān)測、腫瘤微環(huán)境分析及閉環(huán)精準(zhǔn)醫(yī)療等場景，為柔性生物電子器件從實(shí)驗(yàn)室原型走向真實(shí)醫(yī)療應(yīng)用提供重要技術(shù)基礎(chǔ)。
 

　　引用：深圳研究生院新材料學(xué)院徐亞東在《科學(xué)》發(fā)表柔性生物電子新成果 北京大學(xué)新聞網(wǎng)【引用時(shí)間：2026年5月29日】