Chem. Rev.：可穿戴和植入式电子产品的电化学和电生物传感器

以下文章来源于柔性电化学 ，作者哥尼亚是

前言

生物电子设备旨在将生物信息转换为电信号，反之亦然，从而弥合生物世界和电子系统之间的差距。在不同类型的生物电子设备中，可穿戴和植入式生物传感器尤为重要，因为它们提供了对组织和器官的生理和生化活动的访问，这在诊断和研究各种医疗状况方面具有重要意义。有机导电和半导体材料，包括导电聚合物（CPs）和石墨烯和碳纳米管（CNT），是可穿戴和植入式生物传感器最有前途的候选材料。它们独特的电学、电化学和机械性能为生物电子学带来了新的可能性，而这些可能性是利用金属或硅基类似物无法实现的。在可穿戴和植入式生物传感器的开发中使用有机和碳基导体已成为一个快速发展的研究领域，近年来取得了显着进展。使用这种材料解决了生物组织和电子设备之间不匹配特性的问题，以及传输信息的准确性和保真度的提高。近日，奥克兰大学Jadranka Travas-Sejdic教授等人对基于导电聚合物和碳基材料的可穿戴和可植入电子产品的电化学和电学生物传感器进行了综述研究。相应研究成果以“Electrochemical and Electrical Biosensors for Wearable and Implantable Electronics Based on Conducting Polymers and Carbon-Based Materials”为题刊登在国际化学领域顶刊Chemical Review上。

本文要点：

1) 有机导电和半导体材料，包括导电聚合物（CP）、石墨烯和碳纳米管（CNT），是可穿戴和植入式生物传感器的有效材料。它们独特的电学、电化学和机械性能为生物电子学带来了新的机遇，而利用金属或硅基类似物是无法实现的。这种材料的使用解决了生物组织和电子设备之间特性不匹配的问题，并实现了传输信息准确性和保真度的提高。

2) 作者重点介绍了该领域的最新进展，并深入了解了有机和碳基（半）导电材料的特性，并将其与可穿戴/植入式生物传感器中的应用联系起来。作者还对可穿戴/植入式生物传感器的前景和未来发展进行了展望。

研究回顾

近年来，随着新型功能有机导电材料的涌现，先进的微细加工技术，以及新的传感/记录原理，在可穿戴和植入式传感器的研发方面，我们正经历着前所未有的繁荣。特别是有机导电材料的独特性能，包括导电聚合物、石墨烯和碳纳米管，带来了传统金属或硅基器件无法实现的新功能。有机导体的多样性和可调特性导致了柔软、可拉伸、透明和粘性电极的产生，用于与人体皮肤和组织连接。这提高了生物传感性能，并促进了设备与组织和器官的连接，同时对人体组织的正常活动干扰最小。基于有机导体的可穿戴和植入式生物传感器的功能仍在大幅扩展，并吸引了越来越多的研究关注。

然而，尽管有机和其他碳基导体取得了令人鼓舞的发展，但与金属相比，它们仍然表现出一定的局限性。首先，它们的电气和电化学特性可能会随时间而变化。例如，掺杂离子对于维持导电聚合物（CP）的导电性至关重要，可能会浸出或与周围液体中的其他离子发生交换，从而导致其电学和电化学特性的改变。其次，其化学结构的复杂性给电极性能带来了不确定性，从而影响了记录的可重复性和可靠性。第三，有机导体代表了相对较新的（半导体）导体，虽然使用它们的器件的制造技术正在发展，但它们尚未达到工业大规模生产标准。此外，尽管开发了几种将有机导体与其他电子元件连接的方法，例如使用夹具，在将有机导体与PCB平台直接集成方面仍然存在显着差距。我们预计这些限制将在不久的将来得到解决。

总结展望

总的来说，高生物相容性、高灵敏度和多功能性将继续成为主要目标，以便将基于有机导电材料的可穿戴和植入式电子产品的电化学和电气生物传感器从研究实验室转化为商业现实。除了有机导体的电学、电化学和机械性能外，还需要特别强调生物界面性能。这不仅包括低界面阻抗和适当的粘附性，这对于良好的灵敏度很重要，还包括低异物反应和结垢，这对生物相容性和长期性能至关重要。表面修饰已被用于实现亲密和兼容的界面，但还有更多需要研究。从化学功能化到生物功能化，生物分子（例如蛋白质或生长因子）的偶联、仿生水凝胶的使用甚至活细胞层的掺入，在改善软电极的生物界面特性方面具有巨大潜力。

开发一种侵入性较小的活体记录方式是另一个重要目标。对于植入式传感器，通常涉及放置和移除电极的大手术，这不可避免地会永久损坏组织。一种有前途的替代方案，特别是对于空洞器官，是进入器官的内表面，例如，通过血管注射传感器进入心脏或通过食道运输传感器进入胃或肠。基于这种方法的一个例子是用于记录或刺激的血管内植入装置。这种“插入”策略在消化和呼吸系统的传感方面可能特别有用，因为消化和呼吸系统更容易进入。然而，器官内部的超复杂环境也给传感器带来了挑战。以消化系统为例，为了从粘膜进行感知，传感器需要暴露在摄入的食物和饮料、消化液、苛刻的pH值、机械力和微生物组中。因此，从材料和生物/电气工程器件的设计方面对此类生物传感器件提出了更严格的要求，需要更多的研究努力。

对于“中期”应用，植入式设备将受益于按需生物降解性和生物吸收性，因为之后不需要额外的手术来移除设备。这方面的一个例子是术后健康监测，其中传感器可以在手术期间植入并留在体内，以在恢复期间对健康状况进行持续跟踪。瞬态器件的设计需要使器件仅在预定的使用寿命后才会退化。瞬态电子学是一个新兴领域，正在展示基于金属、硅和有机（半导体）导体的瞬态电子学。有机导体，尤其是导电聚合物，特别有利，因为它们可以被分子设计成在某些条件或刺激下按需降解。

从长远来看，使用可穿戴电子设备完全无创地记录深层生理活动是一个目标。目前，只能记录强烈的电生理信号，如心电图，在某种程度上，可以记录表面活动，如来自大脑的脑电图和来自靠近皮肤的肌肉的肌电图。为了从更深的组织获取信息，使用了穿透探针;但是，这些只能从非常小的局部区域记录。实现一种非侵入性可穿戴传感器，能够对体内深层组织进行高保真映射，将是一项重大创新，并为生物电子学开辟了一个新的世界。这些技术的成功将取决于新型材料及其功能化、超高灵敏度传感机制和新型信号记录技术的结合。

多功能传感器，可以同时检测多个电生理信号和生物标志物（并可能释放药物作为回应的治疗）将使我们离个性化医疗更近一步。异常或危及生命的症状的检测可用于触发药物的释放或刺激，作为反馈控制的健康管理系统。温度、应变、湿度和pH值等参数可以整合到此类传感系统中，以提供全面的健康监测解决方案。

最后，可穿戴和植入式生物传感器的研究领域，包括这里讨论的基于有机电子材料的研究领域，是一个高度交叉的领域，其发展需要广泛的学科贡献，包括化学、材料工程、电气工程、生物学、物理学和医学。尽管迄今为止取得了巨大进展，但仍有巨大的可能性和机会可供发现和探索。我们期待见证生物电子学的进一步发展，包括可穿戴（生物）传感器，这将为我们揭示人体的更多奥秘，并为诊断和治疗危及生命的疾病提供强有力的工具。

链接：

https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acs.chemrev.3c00392

转自：“i学术i科研”微信公众号

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