Nature | 新材料如何将生物传感器提升到新水平

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当Shuai Xu着手制造一种可穿戴生物传感器来监测早产儿和新生儿的生命体征时，他面临着一个重大挑战：这些儿童的皮肤非常脆弱，用于连接传感器的粘合剂可能会损坏皮肤，可能导致感染。婴儿移动时，坚硬的装置会拉扯皮肤，并且可能会将其拉向不同方向的电线，这加剧了问题。解决方案是构建一种柔软且可拉伸的传感器，采用柔性电路板和 50 毫米的细电线，这与长期以来一直是此类工程支柱的刚性设备相比，这是一个巨大的变化。它被包裹在可弯曲的硅胶中，通过蓝牙传输读数，并使用水凝胶（一种主要由水制成的聚合物基物质）粘在身体上。皮肤科医生 Xu 在伊利诺伊州埃文斯顿西北大学的工程师和材料科学家 John Rogers 的实验室担任博士后研究员，帮助开发了该设备，他是软材料的先驱。

研究人员认为 bottlebrush 弹性体和碳纳米管复合材料的渲染图具有作为脑电极的潜在用途。图片来源：Xu， P. et al. Nature Commun.14， 623 （2023）

Xu后来成为伊利诺伊州芝加哥 Sibel Health 的创始人兼首席执行官，这是一家医疗设备公司，在 2020 年获得了 Nature's Spinoff 奖，并销售用于健康监测的可穿戴传感器。Xu 面临的挑战在试图开发生物传感器和制造它们的材料的研究人员中很常见。这些设备必须小巧轻便，并且必须以最小的刺激性连接到身体上。在某些情况下，它们需要耐用的电池和电路，以处理不断增长的人工智能算法，这些算法可以理解它们收集的数据。

据估计，2023 年全球健康传感器市场价值估计为 426 亿美元，预计到 2030 年将增长到 1422 亿美元。以前设计用于计算步数的腕戴式或手指式设备现在可以测量心跳和血氧水平，并且它们还加入了贴片，允许糖尿病患者持续监测他们的血糖水平。

Xu说。“但是还有很多其他的事情，包括生化和生物物理学，我们仍然无法以实际、连续的方式进行。”弄清楚如何廉价和非侵入性地测量各种物理和化学信号可以提供可以重塑医学的诊断信息。这可能不仅限于进行机械测量（如心率）的传感器。研究人员还在研究化学传感器，这些传感器可以检测血液、汗液和泪液以及细胞周围液体中的生物标志物。

宾夕法尼亚州立大学州立大学 （Pennsylvania State University） 的生物传感器工程师艾达·易卜拉希米 （Aida Ebrahimi） 正在研究可以检测唾液或尿液中神经递质的材料，例如多巴胺、血清素、肾上腺素和去甲肾上腺素，这些物质在帕金森氏症或阿尔茨海默氏症等疾病患者中会发生变化。她专注于 2D 材料，这些材料只有一个原子层厚，例如二硫化钼。Ebrahimi 说，对于一种“实际上，整个事物都是表面”的材料，你将在检测非常低浓度的生物分子的能力中获得高灵敏度。这种原子薄膜的材料特性对表面改性也很敏感。例如，附着锰分子使材料对多巴胺具有亲和力，从而产生超灵敏检测器。

为新生儿的敏感皮肤开发了一种柔软且可拉伸的传感器。图源：西北大学

Ebrahimi 说，连接不同分子的类似材料可以用作其他化学物质的传感器，这些化学物质可以提供有关健康的信息。她的团队在 2020 年构建了一个传感器原型，他们证明该原型可以测量多巴胺，但构建它并验证它以供使用可能需要几年时间。

一个测量挑战是，许多信号传输，尤其是在大脑中，是通过离子的运动来执行的，而大多数监测设备旨在检测电子流携带的电流。沙特阿拉伯图瓦尔 （Thuwal） 阿卜杜拉国王科技大学（KAUST）的生物工程师 Sahika Inal 正在使用有机电化学晶体管 （OECT），这些设备可以检测来自生物分子、细胞和脂质层的信号，并将其转化为可通过电子设备测量的读数。OECT 可以使用有机混合离子-电子导体 （OMIECs） 构建，这是过去几年备受关注的焦点。OMIECs 是离子和电子都可以轻松流过的聚合物。当晶体管的一部分在它所测量的特性中发生微小变化时，OMIEC 会放大该信号。因为它是一种有机聚合物，所以这种材料比标准电子晶体管更能与人体的潮湿环境相容，标准电子晶体管必须封装以保护其免受液体的影响。因此，可以开发“可以直接与生物系统集成”的电子设备，Inal 说。

例如，OECT 可以直接打印在皮肤表面以检测生物信号，或者构建在织物线上以制造经得起洗涤的生物传感服装和围巾。它们还有可能取代脑植入物中使用的刚性电极，以控制假肢装置和监测癫痫发作患者的电活动。它们的柔韧性和生物相容性可能会减少对脑组织的刺激，从而降低电极的敏感性。

在多伦多大学，机械工程师 Xinyu Liu 和化学工程师 Helen Tran 开发了另一种具有柔软性和柔韧性的材料，可用作脑电极。被称为 bottlebrush 弹性体，它们的橡胶状物质由一种分子制成，该分子具有长而硬的脊柱，可保持其结构，周围环绕着短而灵活的刷毛，使其柔软。为了赋予材料导电性，Liu 和 Tran 添加了一种填料——碳纳米管或银片和共晶镓铟（一种液态半导体）的混合物。不过，他们担心填充剂会渗出并产生毒性作用，因此他们想消除它。“最终，我们希望设计一种柔软且导电的聚合物，”Tran说。“这些要求往往是不一致的。”

Liu 的实验室也在研究可穿戴传感器。一种基于水凝胶，旨在贴合皮肤并测量身体部位（例如膝盖）弯曲时的应变。这种设备可能有助于监测运动员的表现或评估关节炎。他们正在开发的另一种传感器将氧化锌纳米线放在棉线上，以制造可以测量汗液中乳酸和钠等物质的电子纺织品。这种材料可以编织成衬衫或汗带，以监测运动员的健康状况。

Xu 看到了新型生物传感器的很多机会。“AI 正在生成新的算法，”他说，这些算法可以集成到传感器中，以便从它们记录的测量值中学习并做出反应。这需要开发能够与传感器中可用的有限功率配合使用的处理器。他说，更好的电池可能会有所帮助，从运动或身体热量中收集能量等替代方案也会有所帮助。他说，可以将读数（例如血糖水平与心率）相结合的设备可能会带来变革。他还希望能够检测可用于监测疲劳的压力荷尔蒙，或用于检查患者是否服用药物的药物代谢物。

生物传感器有可能收集大量有用的信息，并在日常环境中进行收集，这可能比一次性医生测试提供更真实的健康状况。Xu说，“无论你是否生病，人们不会把大部分时间花在诊所或医院。自己使用技术跟踪健康状况，我认为真的很重要”。

文章链接：

https://www.nature.com/articles/d41586-024-04003-y

*中文编译文章仅供参考，建议读者阅读英文原文。