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生物标志物存在于生物流体中，如血液、尿液、唾液和汗液，它们可以反映人体的生理过程和疾病状态。血液和尿液分析成本高、不便利，且不能提供连续的测量数据，唾液分析可能受到食物残留和细菌的干扰，汗液作为生物标志物的来源，虽然可以通过运动、离子导入或药物应用来诱导，但在身体不活跃的个体中获取汗液具有挑战性，且长期使用这些方法可能会引起患者的不适和副作用。
新加坡国立大学刘宇鑫、新加坡科技研究局首席研究员杨乐合作设计了一种离子-电子双层水凝胶，作为能够原位检测人体皮肤上普遍存在的固态生物标志物的传感器。相关内容以“Stretchable ionic–electronic bilayer hydrogel electronics enable in situ detection of solid-state epidermal biomarkers”为题发表发表于国际著名期刊《Nature Materials》。
本文的尾通作者是新加坡国立大学生物工程系刘宇鑫（Liu Yuxin），博士毕业于斯坦福大学生物工程专业。师从鲍哲南教授，进行柔性生物电子和脑机接口的研究。利用新型高分子材料实现类生物性质的脑机接口，以及转化医学和神经科学上的应用。
博士及博士后期间，发表超过10篇一作或通讯作者的文章在高水平期刊上，包括 Science, Nature, Nature Biotechnology, Nature BioMedical Engineering, PNAS, 等等。
本文亮点：
（1）超低检测限：展示了对水溶性和水不溶性固态分析物（如乳酸和胆固醇）的连续监测能力，具有超低的检测限。
（2）减少运动伪迹：该传感器的双层水凝胶电化学界面比传统液体传感电化学界面减少了三倍的运动伪迹。
1.主要内容：
SEB传感器是通过在苯乙烯-乙烯-丁二烯-苯乙烯（SEBS）弹性体基板上丝网印刷一种可拉伸的银基互连和ECH（电子导电水凝胶）前体层来制造的。ECH前体由聚(3,4-乙二氧噻吩)聚苯乙烯磺酸盐（PEDOT:PSS）、铁(III)亚铁氰化物和水性聚氨酯(WPU)配制而成。ECH中的PEDOT:PSS网络可以促进离子和电子的传输。二甲基亚砜(DMSO)被用来通过桥接PEDOT核心调节PEDOT:PSS的形态，随后通过热退火去除。干燥的ECH前体在滴加含有98%水的ICH（离子导电水凝胶）前体溶液后，由于其亲水性质而膨胀成ECH，形成相互连接的双层水凝胶结构。
【SEB传感器的特性】
SEB的面积密度是利用计时电流法在-0.1伏的偏压下进行测量。校准曲线显示，在固态胆固醇和乳酸传感器中，氧化还原电流与分析物面积密度之间存在线性相关性，线性区域的皮尔逊相关系数均为0.99。SEB传感器对其他固态表皮分析物表现出卓越的选择性。除了酶的特异性外，离子导电水凝胶(ICH)层作为屏障，防止蛋白质等大分子的扩散和污染，从而减少传感器的生物污染。作者进一步分析，发现通过两种方法测量的胆固醇和乳酸的生物标志物量之间存在线性关系，皮尔逊相关系数分别为0.82和0.90。
图1 固态分析传感器的体外表征
【可拉伸传感器贴片的机械特性】
尽管其在ICH-ECH区域的厚度（40-50 µm）相比其他超薄膜电子设备来说相对较高，软性SEB传感器表现出卓越的适应性、贴合性和皮肤舒适性。SEB传感器对皮肤施加的最大主应变比柔性聚酰亚胺基板要低。当拉伸时，传感器的电化学阻抗（在1 Hz下）相对稳定，在40%的应变下仅增加了76%。作者在20%的应变下进行100次循环拉伸后观察到阻抗下降了59%，这可能是由于PEDOT:PSS/WPU网络在拉伸方向上的排列。在生理范围内，经过100次循环后，由于拉伸期间电化学氧化产生的应变不敏感的法拉第电流，电流密度变化仅为约9%。SEB传感器中的ICH-ECH水凝胶双层显示，由于机械振动引起的运动伪迹幅度比液态电化学传感器低三倍。这可以通过将液界面处的峰值水剪切流速从4.5μm s−1降低到水凝胶界面处的0.27μm s−1来解释，这导致对双层电容和分析物浓度梯度的干扰较小，以及在相同整体应变下，水凝胶界面相比液界面在贴片上的应变变形较小。
【SEB传感器中的电化学动力学】
SEB传感器的电化学动力学与液态界面电化学传感器不同，涉及在ICH-ECH双层水凝胶中的溶解和扩散过程。为了研究传感机制和传感器性能，开发了一个数学模型，探究在水凝胶中分析物的时空分布和传感器响应时间。乳酸溶解速率在50 s内产生了陡峭的浓度梯度。在扩散主导过程阶段，ICH-ECH处的乳酸浓度达到最大值，然后电化学氧化将乳酸转化为丙酮酸，随后降低了乳酸浓度。尽管时间-浓度斜率取决于初始乳酸量，但在反应主导过程阶段观察到的相对稳定的乳酸浓度表明了稳定的氧化还原电流和可靠的读数。模拟的固态表皮乳酸在感应范围内（2.5-2593.6 nmol cm−2）的响应时间在400秒内，这与实验观察结果一致。通过增加聚合物孔径和减少ICH层厚度，可以进一步提高这一速率。使用该模型预测不同输入乳酸量时的电流响应，产生了与实验数据吻合良好的模拟校准曲线。该模型可以预测固态乳酸传感器的行为，并指导电极设计参数，例如电极表面积、水凝胶厚度和孔径。
图2 固体分析物传感器的力学电化学表征和建模
【志愿者进行人体试验】
现有的固态表皮生物标志物检测方法需要通过胶带剥离法收集皮肤样本，然后通过质谱进行离线分析，这阻碍了原位和连续检测的实现。在十名人类志愿者中观察到SEB传感器测量的面积密度与通过胶带剥离法和比色试剂盒测量的胆固醇以及乳酸的面积密度之间的线性关系。胆固醇和乳酸的线性关系的皮尔逊相关系数分别为0.93和0.96。
使用SEB传感器在三个阶段测量固态乳酸：隔夜禁食前的食物摄入，食物摄入后1.5小时，以及食物摄入后3.5小时。在食物摄入后1.5小时观察到固态表皮乳酸面积密度从684.6 nmol cm−2显著增加到1,132.3 nmol cm−2，随后在食物摄入后3.5小时恢复到基线水平。总的来说，这些结果表明SEB传感器在监测日常活动（如食物摄入）对人类生化生理影响方面具有出色的可靠性和准确性。
假设血清生物标志物（如血清胆固醇和乳酸）的水平与固态表皮生物标志物之间存在强相关性，基于它们共享的运输途径。胆固醇和乳酸首先通过血管运输，然后通过汗腺和表皮扩散到达角质层，这一过程得到ICH层向表皮扩散的水分子的促进。与此同时，局部合成的皮肤代谢物可以扩散到血管中。通过同时使用商业指刺设备和SEB传感器进行测量，在人类志愿者中建立了血清生物标志物和固态表皮生物标志物之间的相关性。志愿者被分为两组，一组在禁食后（n=9）进行测试，另一组在食物摄入后（n=12）进行测试。能够观察到，在禁食志愿者中，固态乳酸和胆固醇的SEB面积密度分别比非禁食志愿者减少了94.7%和40.1%。固态乳酸和血清乳酸浓度之间观察到线性浓度关系，皮尔逊系数为0.89。此外，固态胆固醇和血清胆固醇浓度的皮尔逊相关系数在食物摄入前后分别为0.95和0.92。禁食个体食物摄入后SEB-血清胆固醇比率的增加表明，禁食显著降低了皮肤胆固醇的生成。然后对人类志愿者进行了6小时的纵向评估，食物摄入在2.5小时。结果表明，SEB和血清中的乳酸和胆固醇的动态波动高度相关，并与之前的一项代谢物研究一致。血清和SEB中生物标志物的动态波动曲线的交叉相关性分别为胆固醇0.957和乳酸0.967。此外，SEB传感器测量与胶带剥离的固态乳酸和胆固醇表现出高度相关性，皮尔逊系数分别为0.92和0.90。SEB传感器与血清生物标志物之间的强相关性表明，SEB传感技术可以用于通过测量固态胆固醇和乳酸来连续原位监测高脂蛋白血症和冠状动脉疾病等疾病。
图3 SEB传感器人体评估
2.总结与展望
迄今为止，可穿戴传感器研究主要集中在汗液等生物流体中的生物标志物上，而固态生物标志物监测由于缺乏传感模式而发展不足。为了解决这个问题，研究人员报告了一种用于固态表皮生物标志物（SEBs）的可穿戴电子系统，它能够实现原位、连续、无线和皮肤集成的传感。这种传感器技术利用了一种离子导电水凝胶（ICH）和电子导电水凝胶（ECH）双层结构作为溶解-扩散层，使固态分析物的连续氧化还原反应成为可能。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引起的运动伪迹更小。SEB传感器的非侵入性和类似皮肤的形式实现部分替代传统的小分子血液检测，使其成为远程患者监测和慢性疾病管理的一个解决方案。这项技术在医疗领域之外，包括非法药物检测、食品安全、安全与防御以及环境监测中对固态分析物的传感具有潜在的应用前景。
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