在過去的幾十年中，柔性可拉伸電子的飛速發(fā)展推動(dòng)了可穿戴設(shè)備、電子皮膚、軟體機(jī)器人、人機(jī)界面以及植入式器械等領(lǐng)域的快速興起。這些具有輕量化和優(yōu)異適應(yīng)性的電子器件能夠與柔軟、曲面、動(dòng)態(tài)的生物體系緊密貼合，在人體健康監(jiān)測(cè)和生物醫(yī)療領(lǐng)域中發(fā)揮越來越重要的作用。其中，柔性可拉伸電化學(xué)傳感器（FSECSs）具有靈敏度高、響應(yīng)速度快、特異性強(qiáng)、易于小型化等優(yōu)勢(shì)，已成為生物體系生化分子原位定量監(jiān)測(cè)的重要工具，極大地促進(jìn)了對(duì)生命活動(dòng)的深層次理解。

近日，武漢大學(xué)化學(xué)與分子科學(xué)學(xué)院黃衛(wèi)華教授和劉艷玲教授團(tuán)隊(duì)在Advanced Materials上發(fā)表題為“Flexible and Stretchable Electrochemical Sensors for Biological Monitoring"的長(zhǎng)篇綜述。作者首先總結(jié)了柔性可拉伸電極的制備方法，著重介紹了基于結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和新興材料的可拉伸電極制備策略。隨后，詳細(xì)總結(jié)了提高FSECSs性能（包括靈敏度、選擇性、穩(wěn)定性以及生物相容性）的關(guān)鍵策略。此外，系統(tǒng)性地介紹了FSECSs在不同層次生物體系（表皮、體外和體內(nèi)組織/器官以及活細(xì)胞）監(jiān)測(cè)中的代表性應(yīng)用。最后，作者展望了FSECSs在生物監(jiān)測(cè)中面臨的挑戰(zhàn)及未來機(jī)遇。

1.柔性可拉伸電極制備

到目前為止，已經(jīng)發(fā)展了兩種主要策略來制備可拉伸電極：特殊幾何結(jié)構(gòu)基底和可拉伸導(dǎo)電材料。

1.1 基于結(jié)構(gòu)的可拉伸電極

通過特殊的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，增加剛性材料在形變過程中的自由度從而分散應(yīng)力。基于結(jié)構(gòu)的可拉伸電極可分為兩類:基于平面內(nèi)和平面外結(jié)構(gòu)的可拉伸電極。

1.2 基于材料的可拉伸電極

納米材料(包括0D、1D和2D)可以通過重排在形變狀態(tài)下維持其連續(xù)的導(dǎo)電路徑。導(dǎo)電聚合物PEDOT可通過摻雜增塑劑等方式促進(jìn)其與PSS的相分離，提高其導(dǎo)電性與拉伸性。作者在文中詳細(xì)介紹了電化學(xué)傳感器常用導(dǎo)電材料（包括碳納米材料，金屬納米材料和導(dǎo)電聚合物）用于構(gòu)建可拉伸電極的策略。

2.柔性可拉伸電極功能化

考慮到生物體系中生化分子的含量低、環(huán)境復(fù)雜，以及電極與生物體系的兼容性等因素，柔性可拉伸電極必須具有優(yōu)異的靈敏度、選擇性、穩(wěn)定性和生物相容性以實(shí)現(xiàn)信號(hào)的準(zhǔn)確獲取。目前，已發(fā)展出不同的功能化策略用于提高電極性能。

2.1靈敏度

提高電極靈敏度的常用策略包括：增加電極活性面積和引入高性能催化劑。具有高表面積和不飽和位點(diǎn)的納米材料已被廣泛用于提高電極的電子傳遞動(dòng)力學(xué)和催化性能。

2.2 選擇性

界面修飾特異性識(shí)別元素（例如：酶、生物親和受體、離子載體、MIP）是提高FSECSs選擇性的策略。此外，也可通過修飾抗干擾涂層抵抗干擾物到達(dá)電極表面，間接提高FSECSs對(duì)目標(biāo)物的選擇性。

2.3 穩(wěn)定性

當(dāng)電極暴露于生物體系中時(shí)，環(huán)境中的蛋白分子極易通過非特異性相互作用吸附在電極表面，導(dǎo)致電極性能下降。物理尺寸排阻和構(gòu)建強(qiáng)親水性界面是目前常用的兩種電極抗污策略，其通過形成物理和能量屏障抵抗蛋白質(zhì)在電極表面的非特異性吸附，賦予電穩(wěn)定性。

2.4 生物相容性

由于傳感界面與生物體系直接接觸，F(xiàn)SECSs需具有優(yōu)異生物相容性以減小對(duì)生物實(shí)體的外源刺激，維持生物體的正常功能。目前，針對(duì)不同的檢測(cè)對(duì)象（表皮、體外和體內(nèi)組織/器官以及活細(xì)胞），已發(fā)展出不同的功能化策略用于提高電極的生物相容性。

3. FSECS用于生物監(jiān)測(cè)

生物標(biāo)志物的電化學(xué)檢測(cè)對(duì)于基礎(chǔ)研究、臨床診斷和個(gè)性化醫(yī)療設(shè)備的發(fā)展（例如便攜式）至關(guān)重要。FSECSs可以實(shí)現(xiàn)傳感單元和生物實(shí)體的無縫兼容，從而實(shí)現(xiàn)高保真生化信號(hào)的連續(xù)獲取。在這部分，作者系統(tǒng)性地介紹了FSECSs在不同生物體系（表皮、組織/器官以及活細(xì)胞）生化信息監(jiān)測(cè)中的代表性應(yīng)用。

3.1表皮監(jiān)測(cè)

在自然生理過程中，表皮中會(huì)產(chǎn)生豐富的生化信息(如代謝物和電解質(zhì))，這些生化信息的獲取可以為健康監(jiān)測(cè)及疾病診斷提供重要見解。作者重點(diǎn)介紹了FSECSs在表皮生化信號(hào)(包括代謝物、電解質(zhì)和其他生化物質(zhì))分析中的應(yīng)用，以及集成式智能可穿戴設(shè)備的進(jìn)展。

3.3 活體監(jiān)測(cè)

3.4 細(xì)胞檢測(cè)

細(xì)胞可以靈敏感知微環(huán)境中的機(jī)械力刺激，并將其轉(zhuǎn)化為細(xì)胞內(nèi)生化信息，最終調(diào)控細(xì)胞的結(jié)構(gòu)和功能，該過程被稱為力學(xué)信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)。FSECSs可以很好的順應(yīng)細(xì)胞形變，并同時(shí)檢測(cè)信號(hào)分子的釋放，為細(xì)胞力學(xué)信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)生化信息的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)提供了強(qiáng)有力工具。

來源：傳感器專家網(wǎng)