研究背景
过去几十年来，由于材料科学、器件设计和加工技术的创新，柔性和可拉伸电子器件得到了迅速发展。这些电子器件在晶体管、显示器、智能传感器、能量收集和存储、人造皮肤和无线通信等各个领域都具有广阔的发展前景。它们重量轻、适应性强，能够与柔软、弯曲和动态的生物系统集成。因此，柔性可拉伸电子器件可作为便携式个性化生物医学设备，用于持续监测个人健康状况。
这些电子设备有助于采集人体的电生理、生理和生化数据。软电极-器官接口可以非侵入式记录来自心脏 (心电图)、肌肉 (肌电图)和大脑 (脑电图) 的电信号。可穿戴传感器可将物理刺激转化为压电、压阻或电容位移，从而实现对人体活动(如微笑、哭泣、眨眼、说话和吞咽)和生命体征(如体温、心率、呼吸频率和血压)的精确监测。该系统可识别成分和浓度等化学信息，并根据所用传感器的不同将其转化为可测量的信号(如电化学、光学和重力测量信号)。这些适应性强的化学传感器可揭示多种生化指标，丰富我们对生物系统的认识。
电化学传感器具有灵敏度高、响应速度快、仪器成本低以及与各种分析系统兼容性强等特点，在众多化学传感器中脱颖而出。根据生物标记物的性质 (电活性或非电活性)，电化学生物传感器的设计可采用不同的技术，包括安培法、伏安法、电位法、阻抗法、光电化学法和晶体管、由于这些优势，电化学传感器可以检测从离子到小生物分子和细胞等各种分析物，在柔性和可拉伸生物电子学领域越来越受欢迎。
研究成果
柔性可拉伸电子技术的兴起彻底改变了用于探测生物系统的生物传感器技术。特别是柔性可拉伸电化学传感器 (FSECS)，由于其灵敏度高、响应速度快、易于微型化等特点，可对不同生物实体中的多种生化分子进行现场定量。在过去的十年中，FSECS 的制造和应用取得了长足的进步。武汉大学黄卫华&刘艳玲教授等人在本综述中重点介绍了电极制造和 FSECSS 功能化方面的主要发展。它深入探讨了生物系统 (包括外表皮、体外和体内组织/器官以及活细胞)中各种生物标记物 (包括代谢物、电解质、信号分子和神经递质)的电化学传感。最后，考虑到电极制备和生物应用，讨论了FSECS目前面临的挑战和未来的机遇。相关研究以“Flexible and Stretchable Electrochemical Sensors for Biological Monitoring”为题发表在Advanced Materials期刊上。
图文导读
Figure 1. Schematic illustration of fabrication and functionalization of FSECSs and their biological monitoring applications.
Figure 2. In-plane structural stretchable electrodes.
Figure 3. Out-of-plane structural stretchable electrodes.
Figure 4. Schematic of the stretching of nanomaterials with different dimensions.
Figure 5. Stretchable electrodes based on carbon nanomaterials.
Figure 6. Stretchable electrodes based on metal nanomaterials.
Figure 7. Stretchable electrodes based on conductive polymer PEDOT.
总结与展望
本综述总结了 FSECS 的最新进展及其在探索不同生物实体(从表皮到组织或器官、体外和体内以及活细胞)化学信息方面的应用。FSECS 具有超高顺应性和超轻重量，彻底改变了电分析方法获取信息的方式。特别是，FSECS 塑造了从表皮无创监测大量化学信息(如代谢物和电解质)的可穿戴设备的格局。在组织/器官检测方面，传统刚性电极与软性生物系统之间的机械不匹配问题已得到有效缓解。这降低了组织损伤的风险，有利于高保真地采集生化信号。在细胞层面，FSECS 的顺应性可同时施加机械应变和监测直接培养的机械敏感细胞的生化反应，为表征细胞机械传导过程中的生物分子提供了重要工具。
尽管在 FSECS 领域取得了重大进展，但我们认为仍需做出巨大努力来应对几个关键挑战：在电极制造方面，由于生物实体的弹性模量范围很广 (从 kPa 到 MPa)，因此具有可调刚度的 FSECS 被寄予厚望，这就要求开发新型材料和工程设计。功能性聚合物具有生物相容性和生物可吸收性，可显著降低异物反应，避免使用寿命结束时的二次伤害，因此被广泛应用于体内监测。大多数 FSECS 的尺寸在毫米和厘米之间，可以与表皮和组织/器官的尺寸相匹配。而对于单细胞监测，则应致力于通过先进的加工技术提高可拉伸电极的空间分辨率(微米级)。此外，从市场应用的角度来看，个性化健康监测生物电子器件的批量生产仍然迫切需要可重复性高、易于加工且成本低廉的加工技术。
在电极功能化方面，有几点值得注意。首先，由于生物大分子含量低、环境复杂，FSECS 的灵敏度和选择性仍有待提高。为此，催化科学和分子识别技术的进步可能会带来新的传感策略，实现对生物大分子的灵敏度和选择性分析，甚至拓宽电化学传感的分析物范围。其次在保持传感性能稳定性的同时，亟需一种既能有效防止生物分子吸附，又对灵敏度影响较小的防污涂层，这对于植入式电极的长期监测尤为重要。然后，在 FSECS 中引入刺激响应系统(如光刺激和磁刺激)将使精确操纵细胞和组织成为可能，从而促进对细胞行为和功能(如细胞可塑性)的可控调节。
在应用方面，FSECS 与其他系统的整合将是一个主要趋势。一方面，多功能传感单元包括对多个目标和多模态信号(如化学、物理和电气信号)的综合分析，可以获取更多的健康指标促进对其生理相关性的更全面了解。另一方面，包括电源、无线通信甚至信号处理和显示在内的辅助组件，将加速智能 FSECS 从实验室示范转化为临床应用。此外，FSECS 还可与智能给药系统联手实现诊断和治疗。要应对上述挑战，需要材料、化学、微处理、电路等多领域、多学科的成果。这些挑战的实现将有力地帮助 FSECS 在基础研究和临床应用方面达到一个新的高度。
文献链接
Flexible and Stretchable Electrochemical Sensors for Biological Monitoring
https://doi.org/10.1002/adma.202305917
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