在过去的几十年中，柔性可拉伸电子的飞速发展推动了可穿戴设备、电子皮肤、软体机器人、人机界面以及植入式器械等领域的快速兴起。这些具有轻量化和优异适应性的电子器件能够与柔软、曲面、动态的生物体系紧密贴合，在人体健康监测和生物医疗领域中发挥越来越重要的作用。其中，柔性可拉伸电化学传感器（FSECSs）具有灵敏度高、响应速度快、特异性强、易于小型化等优势，已成为生物体系生化分子原位定量监测的重要工具，极大地促进了对生命活动的深层次理解。
近日，武汉大学化学与分子科学学院黄卫华教授和刘艳玲教授团队在Advanced Materials上发表题为“Flexible and Stretchable Electrochemical Sensors for Biological Monitoring”的长篇综述。作者首先总结了柔性可拉伸电极的制备方法，着重介绍了基于结构设计和新兴材料的可拉伸电极制备策略。随后，详细总结了提高FSECSs性能（包括灵敏度、选择性、稳定性以及生物相容性）的关键策略。此外，系统性地介绍了FSECSs在不同层次生物体系（表皮、体外和体内组织/器官以及活细胞）监测中的代表性应用。最后，作者展望了FSECSs在生物监测中面临的挑战及未来机遇。
图1 FSECSs的制备、功能化及其生物监测应用
1.柔性可拉伸电极制备
到目前为止，已经发展了两种主要策略来制备可拉伸电极：特殊几何结构基底和可拉伸导电材料。
1.1 基于结构的可拉伸电极
通过特殊的结构设计，增加刚性材料在形变过程中的自由度从而分散应力。基于结构的可拉伸电极可分为两类:基于平面内和平面外结构的可拉伸电极。
图2 基于平面内结构的可拉伸电极
图3 基于平面外结构的可拉伸电极
1.2 基于材料的可拉伸电极
纳米材料(包括0D、1D和2D)可以通过重排在形变状态下维持其连续的导电路径。导电聚合物PEDOT可通过掺杂增塑剂等方式促进其与PSS的相分离，提高其导电性与拉伸性。作者在文中详细介绍了电化学传感器常用导电材料（包括碳纳米材料，金属纳米材料和导电聚合物）用于构建可拉伸电极的策略。
图4 不同维度纳米材料的拉伸示意图
2.柔性可拉伸电极功能化
考虑到生物体系中生化分子的含量低、环境复杂，以及电极与生物体系的兼容性等因素，柔性可拉伸电极必须具有优异的灵敏度、选择性、稳定性和生物相容性以实现信号的准确获取。目前，已发展出不同的功能化策略用于提高电极性能。
2.1 灵敏度
提高电极灵敏度的常用策略包括：增加电极活性面积和引入高性能催化剂。具有高表面积和不饱和位点的纳米材料已被广泛用于提高电极的电子传递动力学和催化性能。
图5 高灵敏度FSECSs的构建策略
2.2 选择性
界面修饰特异性识别元素（例如：酶、生物亲和受体、离子载体、MIP）是提高FSECSs选择性最常用的策略。此外，也可通过修饰抗干扰涂层抵抗干扰物到达电极表面，间接提高FSECSs对目标物的选择性。
表1. 高选择性FSECSs的构建策略
2.3 稳定性
当电极暴露于生物体系中时，环境中的蛋白分子极易通过非特异性相互作用吸附在电极表面，导致电极性能下降。物理尺寸排阻和构建强亲水性界面是目前常用的两种电极抗污策略，其通过形成物理和能量屏障抵抗蛋白质在电极表面的非特异性吸附，赋予电极高稳定性。
图6 高稳定性FSECSs的构建策略
2.4 生物相容性
由于传感界面与生物体系直接接触，FSECSs需具有优异生物相容性以减小对生物实体的外源刺激，维持生物体的正常功能。目前，针对不同的检测对象（表皮、体外和体内组织/器官以及活细胞），已发展出不同的功能化策略用于提高电极的生物相容性。
图7 高生物相容性FSECSs的构建策略
3. FSECS用于生物监测
生物标志物的电化学检测对于基础研究、临床诊断和个性化医疗设备的发展（例如便携式血糖仪）至关重要。FSECSs可以实现传感单元和生物实体的无缝兼容，从而实现高保真生化信号的连续获取。在这部分，作者系统性地介绍了FSECSs在不同生物体系（表皮、组织/器官以及活细胞）生化信息监测中的代表性应用。
3.1表皮监测
在自然生理过程中，表皮中会产生丰富的生化信息(如代谢物和电解质)，这些生化信息的获取可以为健康监测及疾病诊断提供重要见解。作者重点介绍了FSECSs在表皮生化信号(包括代谢物、电解质和其他生化物质)分析中的应用，以及集成式智能可穿戴设备的最新进展。
图8 集成式FSECS用于表皮监测
3.2组织监测
生物组织柔软、弯曲且有弹性，而传统的硬质电化学传感器无法顺应组织变形，这种形状和刚度的差异会导致传感界面与组织之间严重的机械不匹配，造成组织损伤以及监测结果不准确。而FSECSs可以很好地顺应柔软组织，从而有助于高保真生化信号的连续获取。本节作者总结了FSECSs用于组织检测的最新进展。
图9 FSECSs用于离体组织生化信号监测
3.3 活体监测
体内组织和器官的弹性模量很低，且体积会发生动态变化。传统的硬质电极不能变形，往往会造成体内组织损伤，甚至影响器官的正常功能。通过构建具有高生物相容性、柔软的FSECSs可有效地避免这些问题。
图10 FSECSs用于体内生化信号监测
3.4 细胞检测
细胞可以灵敏感知微环境中的机械力刺激，并将其转化为细胞内生化信息，最终调控细胞的结构和功能，该过程被称为力学信号转导。FSECSs可以很好的顺应细胞形变，并同时检测信号分子的释放，为细胞力学信号转导生化信息的实时监测提供了强有力工具。
图11 FSECSs用于细胞力学信号转导实时监测
最后，作者进一步对FSECSs面临的挑战以及未来的发展提出了展望。应对文中提到的挑战，需要化学、材料、微加工、电子技术等多领域、多学科的共同努力，同时这些问题的解决将有助于推动FSECSs在生物医学领域更加广泛及深入的应用。
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文献链接：
Flexible and Stretchable Electrochemical Sensors for Biological Monitoring （Adv. Mater. 2023, DOI: 10.1002/adma.202305917）
https://onlinelibrary.wiley.com/doi/abs/10.1002/adma.202305917
来源：高分子科学前沿
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