在過去的幾十年中，柔性可拉伸電子的飛速發(fā)展推動了可穿戴設(shè)備、電子皮膚、軟體機(jī)器人、人機(jī)界面以及植入式器械等領(lǐng)域的快速興起。這些具有輕量化和優(yōu)異適應(yīng)性的電子器件能夠與柔軟、曲面、動態(tài)的生物體系緊密貼合，在人體健康監(jiān)測和生物醫(yī)療領(lǐng)域中發(fā)揮越來越重要的作用。其中，柔性可拉伸電化學(xué)傳感器（FSECSs）具有靈敏度高、響應(yīng)速度快、特異性強(qiáng)、易于小型化等優(yōu)勢，已成為生物體系生化分子原位定量監(jiān)測的重要工具，極大地促進(jìn)了對生命活動的深層次理解。

近日，武漢大學(xué)化學(xué)與分子科學(xué)學(xué)院黃衛(wèi)華教授和劉艷玲教授團(tuán)隊在Advanced Materials上發(fā)表題為“Flexible and Stretchable Electrochemical Sensors for Biological Monitoring"的長篇綜述。作者首先總結(jié)了柔性可拉伸電極的制備方法，著重介紹了基于結(jié)構(gòu)設(shè)計和新興材料的可拉伸電極制備策略。隨后，詳細(xì)總結(jié)了提高FSECSs性能（包括靈敏度、選擇性、穩(wěn)定性以及生物相容性）的關(guān)鍵策略。此外，系統(tǒng)性地介紹了FSECSs在不同層次生物體系（表皮、體外和體內(nèi)組織/器官以及活細(xì)胞）監(jiān)測中的代表性應(yīng)用。最后，作者展望了FSECSs在生物監(jiān)測中面臨的挑戰(zhàn)及未來機(jī)遇。

1.柔性可拉伸電極制備

到目前為止，已經(jīng)發(fā)展了兩種主要策略來制備可拉伸電極：特殊幾何結(jié)構(gòu)基底和可拉伸導(dǎo)電材料。

1.1 基于結(jié)構(gòu)的可拉伸電極

通過特殊的結(jié)構(gòu)設(shè)計，增加剛性材料在形變過程中的自由度從而分散應(yīng)力?；诮Y(jié)構(gòu)的可拉伸電極可分為兩類:基于平面內(nèi)和平面外結(jié)構(gòu)的可拉伸電極。

1.2 基于材料的可拉伸電極

納米材料(包括0D、1D和2D)可以通過重排在形變狀態(tài)下維持其連續(xù)的導(dǎo)電路徑。導(dǎo)電聚合物PEDOT可通過摻雜增塑劑等方式促進(jìn)其與PSS的相分離，提高其導(dǎo)電性與拉伸性。作者在文中詳細(xì)介紹了電化學(xué)傳感器常用導(dǎo)電材料（包括碳納米材料，金屬納米材料和導(dǎo)電聚合物）用于構(gòu)建可拉伸電極的策略。

2.柔性可拉伸電極功能化

考慮到生物體系中生化分子的含量低、環(huán)境復(fù)雜，以及電極與生物體系的兼容性等因素，柔性可拉伸電極必須具有優(yōu)異的靈敏度、選擇性、穩(wěn)定性和生物相容性以實現(xiàn)信號的準(zhǔn)確獲取。目前，已發(fā)展出不同的功能化策略用于提高電極性能。

2.1靈敏度

提高電極靈敏度的常用策略包括：增加電極活性面積和引入高性能催化劑。具有高表面積和不飽和位點的納米材料已被廣泛用于提高電極的電子傳遞動力學(xué)和催化性能。

2.2 選擇性

界面修飾特異性識別元素（例如：酶、生物親和受體、離子載體、MIP）是提高FSECSs選擇性的策略。此外，也可通過修飾抗干擾涂層抵抗干擾物到達(dá)電極表面，間接提高FSECSs對目標(biāo)物的選擇性。

2.3 穩(wěn)定性

當(dāng)電極暴露于生物體系中時，環(huán)境中的蛋白分子極易通過非特異性相互作用吸附在電極表面，導(dǎo)致電極性能下降。物理尺寸排阻和構(gòu)建強(qiáng)親水性界面是目前常用的兩種電極抗污策略，其通過形成物理和能量屏障抵抗蛋白質(zhì)在電極表面的非特異性吸附，賦予電穩(wěn)定性。

2.4 生物相容性

由于傳感界面與生物體系直接接觸，F(xiàn)SECSs需具有優(yōu)異生物相容性以減小對生物實體的外源刺激，維持生物體的正常功能。目前，針對不同的檢測對象（表皮、體外和體內(nèi)組織/器官以及活細(xì)胞），已發(fā)展出不同的功能化策略用于提高電極的生物相容性。

3. FSECS用于生物監(jiān)測

生物標(biāo)志物的電化學(xué)檢測對于基礎(chǔ)研究、臨床診斷和個性化醫(yī)療設(shè)備的發(fā)展（例如便攜式）至關(guān)重要。FSECSs可以實現(xiàn)傳感單元和生物實體的無縫兼容，從而實現(xiàn)高保真生化信號的連續(xù)獲取。在這部分，作者系統(tǒng)性地介紹了FSECSs在不同生物體系（表皮、組織/器官以及活細(xì)胞）生化信息監(jiān)測中的代表性應(yīng)用。

3.1表皮監(jiān)測

在自然生理過程中，表皮中會產(chǎn)生豐富的生化信息(如代謝物和電解質(zhì))，這些生化信息的獲取可以為健康監(jiān)測及疾病診斷提供重要見解。作者重點介紹了FSECSs在表皮生化信號(包括代謝物、電解質(zhì)和其他生化物質(zhì))分析中的應(yīng)用，以及集成式智能可穿戴設(shè)備的進(jìn)展。

3.3 活體監(jiān)測

3.4 細(xì)胞檢測

細(xì)胞可以靈敏感知微環(huán)境中的機(jī)械力刺激，并將其轉(zhuǎn)化為細(xì)胞內(nèi)生化信息，最終調(diào)控細(xì)胞的結(jié)構(gòu)和功能，該過程被稱為力學(xué)信號轉(zhuǎn)導(dǎo)。FSECSs可以很好的順應(yīng)細(xì)胞形變，并同時檢測信號分子的釋放，為細(xì)胞力學(xué)信號轉(zhuǎn)導(dǎo)生化信息的實時監(jiān)測提供了強(qiáng)有力工具。

來源：傳感器專家網(wǎng)