双层水凝胶传感器实现固态表皮生物标志物的可穿戴监测

作者及发表信息
本研究由Liu及其团队完成，相关成果发表于Nature Materials 2024年8月刊（Volume 23, 1019–1020）。通讯作者为美国加州大学圣地亚哥分校（University of California San Diego）的Sheng Xu教授团队，成员包括Siyu Qin等。

学术背景与研究目标
传统可穿戴生物传感器主要依赖汗液等生物体液（biofluids）中的化学标志物（如乳酸、胆固醇、葡萄糖）进行健康监测。然而，汗液传感受限于液体收集量，尤其在代谢率低的人群中效果不佳。现有技术（如离子电渗疗法或催汗药物）可能引发皮肤刺激或副作用。固态表皮生物标志物（solid epidermal biomarkers, SEBs）作为汗液干燥后的残留物，能更稳定地反映局部生理状态，且不受 hydration status（水合状态）干扰。但SEBs的传统检测需通过胶带剥离结合质谱分析，无法实现原位连续监测。本研究旨在开发一种双层水凝胶传感器，通过电化学方法直接、连续监测皮肤表面的SEBs，突破固态分析物反应速率慢的技术瓶颈。

研究流程与方法
1. 传感器设计与材料制备
- 结构：传感器由两层功能化水凝胶组成：
- 离子导电水凝胶层（Ionic Conductive Hydrogel, ICH）：用于溶解SEBs。针对亲水性分析物（如乳酸），ICH采用人工配制的汗液模拟液；针对疏水性分析物（如胆固醇），ICH含表面活性剂与乙醇的混合溶液以乳化溶解析出物。
- 电子导电水凝胶层（Electronically Conductive Hydrogel, ECH）：由水凝胶与聚（3,4-乙烯二氧噻吩）-聚苯乙烯磺酸盐（PEDOT:PSS）复合而成，兼具离子与电子导电性。酶（如乳酸氧化酶）被固定在ICH/ECH界面，提供特异性传感。
- 创新点：引入电化学介质（如铁氰化铁）以提升电子转移速率，降低反应过电位，从而增强灵敏度和动态范围。

1. 传感机制与信号处理

   • 四阶段反应流程：
     
     1. 溶解：ICH层溶解皮肤表面的SEBs；
        
     2. 扩散：溶解的分析物扩散至ICH/ECH界面；
        
     3. 电化学反应：酶催化反应产生电信号；
        
     4. 信号传输：PEDOT:PSS将电荷传递至柔性电路板，数据经蓝牙无线传输至手机。
        
   • 抗干扰设计：水凝胶界面低剪切流速和应变变形特性减少运动伪影（motion artefacts），优于传统液态传感器。
     

2. 性能验证实验

   • 机械稳定性：传感器在20%应变下经100次拉伸循环后仍保持稳定（图1b）。
     
   • 灵敏度与检测限：
     
     • 乳酸检测限1.415 nmol cm⁻²，灵敏度93.8 nA nmol⁻¹ cm⁻²；
       
     • 胆固醇检测限0.707 nmol cm⁻²，灵敏度201.34 nA nmol⁻¹ cm⁻²。
       
   • 相关性验证：与标准血液试纸条测试结果高度一致（图1c-d）。
     

主要结果与逻辑衔接
- 溶解与扩散效率：ICH层成功实现SEBs的快速溶解，扩散动力学数据表明分析物浓度沿厚度方向分布可反映体内动态变化。
- 特异性反应：多酶共固定化设计支持多种分析物同步检测，酶-底物反应的选择性通过电化学阻抗谱验证。
- 信号稳定性：长期佩戴（6小时）下信号漂移率%，归因于水凝胶的保水性和界面粘附性。

结论与价值
1. 科学价值：首次提出固态生物标志物的原位连续传感方案，填补了可穿戴设备在低代谢人群监测中的技术空白。
2. 应用潜力：无需催汗刺激即可实现无创健康监测，适用于慢性病管理（如糖尿病、心血管疾病）和运动生理学。
3. 技术拓展性：通过调整水凝胶成分或酶类型，可扩展至其他SEBs（如尿酸、皮质醇）的检测。

研究亮点
- 方法创新：将固态分析物溶解与电化学传感结合，解决了固体反应动力学缓慢的难题。
- 临床兼容性：传感器柔性设计与皮肤贴合性优异，适合长期佩戴。
- 多模态潜力：作者建议结合机器学习校准数据或集成商用芯片（如电化学分析专用集成电路），可进一步提升系统实用性。

局限与展望
- 动态响应延迟：SEBs需时间累积，可能无法完全实时反映体内浓度变化。
- 葡萄糖检测不足：当前传感器对葡萄糖灵敏度较低，需优化酶或水凝胶孔径。
- 大规模验证需求：未来需通过临床试验验证其在多样化人群中的准确性。

本研究为可穿戴健康监测开辟了新范式，通过材料科学与电化学的交叉创新，推动了固态生物标志物传感从实验室走向实际应用。