《Science》北大徐亞東/加州理工高偉：耐拉伸電化學生物界面！

柔性生物電子器件正推動健康監測從醫院和實驗室走向日常生活與體內長期監測。與傳統檢測方式相比，可穿戴和植入式柔性傳感器能夠與皮膚、心臟、胃腸道、傷口等軟組織形成緊密接觸，連續獲取生理和生化信息。然而，真實人體環境并不是靜止的：皮膚會被反復拉伸，胃會在進食后顯著擴張，腸道會蠕動，心臟持續搏動，傷口組織也會經歷復雜變形。對于電化學分子傳感器而言，這些動態形變往往會導致導電通路破壞、電極開裂、功能層脫落以及電化學信號漂移，從而嚴重影響檢測準確性。

現有柔性生物電子技術已在心電、肌電、體溫、脈搏等物理信號監測方面取得重要進展，但面向分子級的高保真動態化學檢測仍然面臨挑戰。其核心難點在于：電化學傳感器不僅需要在機械上能“拉得動”，還必須在拉伸、彎曲和組織運動過程中保持穩定的電荷傳輸、界面反應和電極功能層完整性。

針對這一瓶頸，北京大學深圳研究生院徐亞東以及加州理工學院高偉教授團隊開發了一種耐應變本征可拉伸電化學生物界面，命名為SIRES。該工作以“Strain-resilient intrinsically stretchable electrochemical biointerfaces”為題在線發表于 Science上。論文第一作者為北京大學深圳研究生院助理教授徐亞東、加州理工學院博士生馬笑天和范可馨，通訊作者為高偉教授。該平臺可在高達 300% 拉伸應變下維持高保真電化學讀數，并兼容伏安型、電位型和安培型等多種檢測模式。

SIRES 系統整體設計：從“可拉伸”走向“耐拉伸”

傳統柔性電化學器件常采用金屬薄膜、剛性導電材料或多層異質堆疊結構。在機械形變下，這些結構容易出現微裂紋、層間脫粘和電化學信號失真。即使通過蛇形結構等幾何設計實現一定“表觀可拉伸性”，其電化學活性界面本身仍難以承受大幅應變。

SIRES 的核心設計思路是構建一個全彈性體、共價整合、可調電化學界面。該系統由三層組成：第一層是耐應變導體層，用于在拉伸過程中維持穩定電子傳輸；第二層是電學可調界面層，用于調節電機械耦合，同時保護底層導體免受生物流體腐蝕；第三層是可拉伸功能涂層，用于承載酶、離子敏感材料、電化學介體等不同傳感化學體系。

三層結構均以聚氨酯彈性體為共同基體，通過材料相容性和共價界面整合，形成抗脫層的柔性電化學生物界面。與傳統“柔性基底上堆疊剛性電極”的思路不同，SIRES 從導體、界面到功能層均具備本征可拉伸特性，因此能夠在動態組織環境中維持更穩定的分子檢測能力。

圖1：SIRES 系統概覽與工作原理

耐應變機制：讓拉伸導致的“信號漂移”相互抵消

在柔性電化學傳感中，拉伸并不只是簡單地改變器件形狀，還會同時改變電子傳輸、離子擴散、電極表面積和電荷轉移過程。研究團隊發現，機械拉伸會引發兩個相互競爭的效應：

一方面，電極表面在拉伸過程中會暴露更多電化學活性面積，從而增強反應電流并降低電荷轉移阻抗；另一方面，拉伸也會增加導電網絡和互連結構的電阻，導致峰位移動、信號衰減或波形畸變。

SIRES 的關鍵突破在于通過材料組成和界面電阻調控，使上述兩個效應在電路層面形成補償。換言之，拉伸雖然會改變局部結構，但系統總電阻可保持近似恒定，從而維持穩定的電化學輸出。研究團隊進一步利用Modified Randles 等效電路對這一過程進行建模，證明 SIRES 可以通過電路級設計實現應變下的高保真分子傳感。

圖2：SIRES 材料設計與耐拉伸性能表征

通用型多模態電化學傳感陣列：兼容伏安、電流和電位檢測

為了驗證 SIRES 的通用性，研究團隊進一步構建了多種典型電化學傳感器，覆蓋伏安型、安培型和電位型三類檢測模式。

在伏安型檢測中，團隊利用碳納米管界面的高電化學活性構建尿酸傳感器。該傳感器在高達 300% 拉伸應變下仍保持穩定靈敏度，僅出現很小的峰位偏移，并在 1000 次循環拉伸后保持良好檢測性能。

在安培型檢測中，團隊構建了可拉伸葡萄糖傳感器。通過將葡萄糖氧化酶、電化學介體和水性聚氨酯功能涂層整合到 SIRES 表面，傳感器可在不同拉伸狀態下穩定檢測葡萄糖濃度。該可拉伸功能涂層還能有效保護傳統脆性電化學活性材料，抑制其在應變下開裂和失效。

在電位型檢測中，團隊構建了基于聚苯胺的 pH 傳感器，其響應斜率約為 55 mV/pH，并可在 300% 應變和 1000 次循環拉伸后保持穩定。此外，研究團隊還開發了本征可拉伸 Ag/AgCl 參比電極，在 100% 應變下循環 1000 次后電位漂移約 1 mV，為完整可拉伸電化學系統提供了關鍵基礎。

這些結果說明，SIRES 并不是某一種特定傳感器的結構優化，而是一種可適配不同傳感化學體系的通用型耐應變電化學生物界面。

圖3：SIRES 多模態可拉伸電化學傳感

可穿戴汗液監測：從運動場景中連續追蹤代謝變化

在可穿戴應用中，研究團隊將 SIRES 集成到可拉伸、透氣的汗帶中，構建了一個用于汗液多模態分析的柔性生物電子系統。該系統包括一次性可拉伸傳感汗帶和可重復使用的柔性電子模塊，可通過藍牙將葡萄糖、乳酸和 pH 等信號實時傳輸至手機端。

與傳統依賴膠黏劑貼附的柔性貼片不同，SIRES 汗帶可利用自身彈性與額頭或手腕形成穩定接觸，更適合運動狀態下的連續監測。研究團隊在健康志愿者中開展了騎行、跑步、劃船機和橢圓機等運動實驗，結果顯示，該系統能夠在不同身體部位和不同運動場景下穩定記錄汗液中葡萄糖、乳酸和 pH 的動態變化。

這一結果表明，SIRES 有望用于運動健康管理、代謝狀態評估和個性化生理監測，為未來可穿戴精準健康設備提供新的界面基礎。

圖 4： SIRES 可穿戴汗液監測系統

植入式動態組織檢測：面向胃腸、傷口和腫瘤微環境

除可穿戴應用外，SIRES 的更大優勢在于能夠適應體內復雜動態組織環境。研究團隊首先將 SIRES 與體外搏動豬心臟界面結合，證明其可在持續機械運動下保持貼合并穩定檢測 pH、葡萄糖和乳酸等信號。

隨后，研究團隊開展了多種動物模型中的植入式驗證。在胃部膳食反應監測中，SIRES 葡萄糖傳感器被安裝于大鼠胃漿膜表面，可在口服葡萄糖后記錄餐后葡萄糖動態變化，顯示出與商業血糖檢測結果一致的生理趨勢。在胃漏檢測模型中，SIRES pH 傳感器可快速響應不同 pH 的模擬泄漏液體，并區分不同嚴重程度的胃漏事件。

在糖尿病傷口模型中，SIRES 多模態陣列可同時檢測傷口滲液中的過氧化氫、乳酸和 pH，并在細菌感染后捕捉到與炎癥代謝相關的信號變化。在炎癥性腸病模型中，SIRES 乳酸傳感器能夠記錄腸道炎癥進展及治療后的乳酸變化。在膀胱腫瘤模型中，SIRES 過氧化氫傳感器檢測到腫瘤附近組織中過氧化氫水平明顯升高，反映了腫瘤微環境中的氧化應激特征。

此外，SIRES 在大鼠體內 28 天皮下植入后顯示出良好的生物相容性，預示著其未來用于長期植入式生物電子監測的潛力。

圖5：SIRES 植入式動態組織分子監測

小結

SIRES 突破了柔性電化學傳感器在動態組織環境中的核心瓶頸。該平臺通過耐應變導體、電學可調界面和可拉伸功能涂層的協同設計，實現了從“本征可拉伸”到“電化學信號耐應變”的跨越。更重要的是，SIRES 并非只適用于單一分子或單一檢測場景，而是能夠兼容伏安型、電位型和安培型多種電化學模式，并可拓展至可穿戴汗液監測和植入式器官分子檢測。

這項工作為未來柔性生物電子器件的發展提供了新的設計范式：真正面向真實人體環境的生物電子系統，不僅要柔軟、可拉伸、可貼合，更要在持續變形中保持分子信號的準確性和長期穩定性。未來，SIRES 有望進一步拓展至慢病管理、術后并發癥預警、傷口感染評估、胃腸道疾病監測、腫瘤微環境分析以及閉環精準醫療等應用場景。

作者簡介：

徐亞東，現任北京大學深圳研究生院研究員、助理教授、博士生導師，入選國家高層次人才計劃青年項目。曾在美國加州理工學院醫學工程系從事博士后研究。他本科畢業于四川大學材料化學專業，隨后獲得英國倫敦大學學院藥物科學碩士學位，并于美國密蘇里大學哥倫比亞分校獲得化學工程博士學位。其長期致力于新一代生物集成電子技術研究，聚焦精準與個性化醫療中的關鍵臨床需求，圍繞柔性生物材料設計、可規模化制造、多模態可穿戴與植入式器件，以及人工智能賦能的數據分析與診斷，構建了從材料、制造到器件與智能診療的一體化研究體系。曾獲國家優秀自費留學生獎學金、Outstanding Chemical Engineering PhD Student Award、Raymond White Dissertation Year Fellowship等獎勵，現任Springer Nature旗下 Discover Electronics 編委。迄今已發表20余篇研究論文，以第一作者身份在 Science, Nat. Nanotechnol., Sci. Adv., PNAS 等期刊發表多篇研究成果，論文總引用2,000余次，相關研究受到 Nature、Nature Nanotechnology、Matter 等期刊以及《Scientific American》、《Science Daily》等逾百家媒體報導。目前課題組正在大力招收柔性電子、生物傳感、可穿戴/植入式精準醫療設備、柔性功能材料、智能制造及 AI 健康診斷等方向的博士后、科研助理和聯合培養博士生，歡迎材料、化學、物理、生物醫學、機械、電子、人工智能等相關背景的申請人加入。感興趣者可將個人簡歷及代表性成果發送至yadongxu@pku.edu.cn，郵件主題注明“姓名-職位申請類型-所在單位”。

高偉，現任美國加州理工學院醫學工程系終身教授，擔任 Science Advances, Biosensors & Bioelectronics, Sensors & Diagnostics與npj Flexible Electronics等多個國際期刊副主編。曾獲評美國自然科學基金委杰出青年獎、國際醫學與生物工程科學院杰出青年獎、海軍研究總署青年科學家獎、斯隆研究獎、IEEE醫學與生物學工程學會技術成就獎、IEEE醫學與生物學工程學會青年成就獎、IEEE傳感器理事會技術成就獎、世界經濟論壇青年科學家、美國化學會青年研究員獎等諸多獎項，入選IEEE會士、美國醫學與生物工程院會士（AIMBE）、英國皇家化學協會會士（RSC）和麻省理工技術評論“35歲以下科技創新35人”全球榜單。近五年來課題組工作在Science, Nat. Biotechnol., Nat. Biomed. Eng., Nat. Electron., Nat. Mater., Nat. Nanotechnol., Nat. Rev. Bioeng., Nat. Chem. Eng., Nat. Mach. Intell., Nat. Rev. Mater., Nat Commun., Sci. Transl. Med., Sci. Robot., Sci. Adv. 等期刊發表論文60余篇。總引用超過50,000次，H-index 106。

論文鏈接：science.org/doi/10.1126/science.aed1630