Science & Nature Materials｜智能手環即將被淘汰？這塊能拉伸900%的“活體膠帶”，或為慢病長期診療開辟新路徑

如今，智能手環、運動腕表等可穿戴設備早已成為大眾日常健康管理、運動監測的標配，微創植入式醫療器械也成為臨床診療的重要發展方向，智慧醫療、慢病居家管理、腫瘤早篩更是當下全民熱議的健康熱點。

但傳統生物傳感器長期存在一大致命缺陷：人體皮膚拉伸、心臟搏動、腸胃蠕動、內臟擴張等動態形變，會讓硬質電極開裂、層間脫落，進而導致電信號與生化檢測信號嚴重失真。這不僅讓主流可穿戴設備止步于心率、步數等基礎物理監測，無法實現汗液、組織液的生化精準分析，也限制了植入式設備在動態內臟表面的長期穩定使用。

針對這一行業痛點，加州理工學院 Wei Gao 教授團隊接連取得兩項突破性進展，相關成果分別刊發于《Science》與《Nature Materials》。兩款互補的柔性可拉伸生物電子器件，分別解決了動態組織傳感、濕器官粘附與一體化診療難題，推動生物電子技術從單一數據監測，邁向 “實時監測+自適應治療” 的全新階段。

第一項核心成果為可拉伸彈性電化學傳感界面（stretchable interface for resilient electrochemical sensing, SIRES），它從材料結構層面破解了形變引發信號失效的行業難題。傳統生物傳感電極多采用金、普通碳納米管等脆性材料，即便輕微拉伸也會出現結構破損，造成電路電阻波動、電化學活性面積改變，最終導致檢測基線偏移，無法精準捕捉尿酸、葡萄糖等疾病相關生物分子。

SIRES 采用全聚氨酯彈性體打造三層一體化結構，依次為應變耐受導體（SRC）、電可調碳納米管-聚氨酯中間層（ETI）、可拉伸功能涂層（SFC），各層依靠共價鍵緊密結合，具備極強的抗開裂、抗分層能力。團隊選用共晶鎵銦（EGaIn）液態金屬作為導電基底，液態金屬天然的柔性導電特性，能保障形變過程中電荷持續穩定傳輸。核心的碳納米管復合中間層則利用巧妙的物理平衡效應：器件被拉伸時電路電阻會小幅上升，但電極的電化學活性表面積同步增大，兩種變化相互抵消，讓器件整體總電阻基本保持恒定。

實測數據顯示，SIRES 可承受300% 的極限拉伸應變，歷經 1000 次循環拉伸后，檢測信號僅出現微弱衰減，穩定性表現優異。功能上，SIRES 兼容伏安法、安培法、電位法三大主流電化學檢測模式，可同步檢測尿酸、葡萄糖、乳酸、H?O?、pH 等多種核心生化標志物。

在大眾關注的運動健康場景中，研究人員將 SIRES 集成于透氣吸汗運動帶，志愿者在騎行、跑步、劃船、橢圓機等各類運動中，將設備佩戴在額頭、手腕等部位，無需額外粘貼醫用膠即可貼合皮膚，實時分析汗液成分，實現運動狀態下的精細化健康監測。

在植入式動物實驗中，SIRES 成功適配心臟、胃、腸道、膀胱等大幅形變的內臟，還落地于多個前沿疾病監測場景：完成糖尿病大鼠感染傷口的動態追蹤、炎癥性腸病模型的腸道乳酸檢測，以及膀胱癌病灶周邊H?O?原位篩查，為慢性炎癥、腫瘤的早期診斷提供了新方案。體外細胞實驗與長期植入測試也證實，SIRES 生物相容性良好，無明顯細胞毒性，植入后誘發的組織炎癥反應極弱。

SIRES 解決了動態組織的精準傳感問題，但植入式設備還面臨濕滑器官粘附難、依賴手術縫合、僅監測不治療等現實短板。

為此，團隊推出第二款多功能平臺ElHyX（彈性體 - 水凝膠雙相生物電子平臺），相關研究發表在《Nature Materials》上，該器件聚焦植入式場景，主打濕組織強粘附、超大拉伸性能與閉環診療，與 SIRES 形成技術互補。

ElHyX 采用彈性體與離子交聯水凝膠分子鍵合的雙相結構，橡膠基彈性體賦予器件超高拉伸能力，改性水凝膠則依靠高密度氫鍵牢牢貼合潮濕的內臟表面，全程無需手術縫合，避免縫合帶來的組織損傷。同時這種粘附具備可逆特性，醫護人員可借助尿素溶液削弱氫鍵、按需剝離器件，大幅降低二次手術風險。

該平臺同樣搭載 EGaIn 液態金屬作為導電填料，極限拉伸能力可達900%，即便經歷超大形變，電阻變化也僅約 15%，千次循環拉伸后導電性能依舊穩定，綜合表現遠超銀納米線等傳統固態導電材料。

在制備工藝上，ElHyX 依托直寫成型（DIW）3D 打印技術制造，可根據不同器官、不同診療需求定制形態，支持低成本規模化量產。研究人員通過摻雜普魯士藍、聚苯胺、碳納米管等功能材料，讓 ElHyX 具備全面的電化學檢測能力，即便在 100% 拉伸狀態下，對葡萄糖、H?O?、尿酸、pH 的檢測信號也不會發生畸變。

ElHyX 最具價值的突破是實現了植入式閉環診療，這也是當下慢病管理領域的核心探索方向。研究團隊以高發慢性病糖尿病為研究模型，將心電（ECG）傳感、葡萄糖生化傳感、神經刺激三大模塊集成在 ElHyX 上，打造出一體化閉環診療系統。

在糖尿病大鼠實驗中，植入體內的 ElHyX 會同步監測血糖濃度與心率，一旦識別出血糖異常升高，系統將自動啟動選擇性傳出迷走神經刺激（eVNS），通過靶向調控神經促進胰島素分泌，快速將血糖回落至健康區間。對比實驗證明，該靶向刺激方式的治療效果優于傳統雙側迷走神經刺激，且連續多日重復測試后系統性能始終穩定。

除糖尿病管理外，ElHyX 還可制作成柔性神經袖套包裹坐骨神經實現神經調控，也能長期貼附心臟完成心電監測，應用場景十分豐富。為驗證長期植入安全性，團隊開展了為期 28 天的大鼠植入實驗，病理結果顯示，器件周邊組織的淋巴細胞（CD3）、巨噬細胞（CD68）等炎癥標志物表達極低，心、肝、脾、肺、腎等主要器官均無病理損傷，充分證明其適用于長期體內植入。

綜合來看，Wei Gao 團隊的兩項成果構建起“體表可穿戴監測+體內植入式診療”的全鏈條柔性生物電子體系，補齊了當前智慧醫療的諸多短板。如今市面上的主流可穿戴設備大多局限于物理體征監測，而 SIRES 讓運動健康、術后恢復、日常體檢的汗液生化監測成為現實。針對植入式器械，ElHyX 攻克了濕組織粘附、微創植入、監測治療一體化等難題，為糖尿病、慢性炎癥等慢病的長期診療開辟了新路徑。

目前，研究團隊正持續優化 ElHyX 的長期植入穩定性，目標實現器件在體內數年穩定工作，同時積極拓展應用方向，探索其在慢性疼痛、情緒焦慮干預等領域的潛力。長遠而言，這類柔性可拉伸生物電子技術打破了傳統醫療設備剛性、功能單一的局限，推動智慧醫療向個性化、實時化、自動化發展，未來有望全面融入大眾健康管理與臨床精準診療，徹底革新現有的醫療健康體系。

參考文獻：

Yadong Xu et al, Strain-resilient intrinsically stretchable electrochemical biointerfaces, Science (2026). DOI: 10.1126/science.aed1630.

Jiahong Li et al, Strain-insensitive wet-tissue-adhesive biphasic bioelectronics for physicochemical monitoring and adaptive therapy, Nature Materials (2026). DOI: 10.1038/s41563-026-02624-4.

來源 | 生物谷

編輯 | VOX