《Science》北大徐亚东/加州理工高伟：耐拉伸电化学生物界面！

柔性生物电子器件正推动健康监测从医院和实验室走向日常生活与体内长期监测。与传统检测方式相比，可穿戴和植入式柔性传感器能够与皮肤、心脏、胃肠道、伤口等软组织形成紧密接触，连续获取生理和生化信息。然而，真实人体环境并不是静止的：皮肤会被反复拉伸，胃会在进食后显著扩张，肠道会蠕动，心脏持续搏动，伤口组织也会经历复杂变形。对于电化学分子传感器而言，这些动态形变往往会导致导电通路破坏、电极开裂、功能层脱落以及电化学信号漂移，从而严重影响检测准确性。

现有柔性生物电子技术已在心电、肌电、体温、脉搏等物理信号监测方面取得重要进展，但面向分子级的高保真动态化学检测仍然面临挑战。其核心难点在于：电化学传感器不仅需要在机械上能“拉得动”，还必须在拉伸、弯曲和组织运动过程中保持稳定的电荷传输、界面反应和电极功能层完整性。

针对这一瓶颈，北京大学深圳研究生院徐亚东以及加州理工学院高伟教授团队开发了一种耐应变本征可拉伸电化学生物界面，命名为SIRES。该工作以“Strain-resilient intrinsically stretchable electrochemical biointerfaces”为题在线发表于 Science上。论文第一作者为北京大学深圳研究生院助理教授徐亚东、加州理工学院博士生马笑天和范可馨，通讯作者为高伟教授。该平台可在高达 300% 拉伸应变下维持高保真电化学读数，并兼容伏安型、电位型和安培型等多种检测模式。

SIRES 系统整体设计：从“可拉伸”走向“耐拉伸”

传统柔性电化学器件常采用金属薄膜、刚性导电材料或多层异质堆叠结构。在机械形变下，这些结构容易出现微裂纹、层间脱粘和电化学信号失真。即使通过蛇形结构等几何设计实现一定“表观可拉伸性”，其电化学活性界面本身仍难以承受大幅应变。

SIRES 的核心设计思路是构建一个全弹性体、共价整合、可调电化学界面。该系统由三层组成：第一层是耐应变导体层，用于在拉伸过程中维持稳定电子传输；第二层是电学可调界面层，用于调节电机械耦合，同时保护底层导体免受生物流体腐蚀；第三层是可拉伸功能涂层，用于承载酶、离子敏感材料、电化学介体等不同传感化学体系。

三层结构均以聚氨酯弹性体为共同基体，通过材料相容性和共价界面整合，形成抗脱层的柔性电化学生物界面。与传统“柔性基底上堆叠刚性电极”的思路不同，SIRES 从导体、界面到功能层均具备本征可拉伸特性，因此能够在动态组织环境中维持更稳定的分子检测能力。

图1：SIRES 系统概览与工作原理

耐应变机制：让拉伸导致的“信号漂移”相互抵消

在柔性电化学传感中，拉伸并不只是简单地改变器件形状，还会同时改变电子传输、离子扩散、电极表面积和电荷转移过程。研究团队发现，机械拉伸会引发两个相互竞争的效应：

一方面，电极表面在拉伸过程中会暴露更多电化学活性面积，从而增强反应电流并降低电荷转移阻抗；另一方面，拉伸也会增加导电网络和互连结构的电阻，导致峰位移动、信号衰减或波形畸变。

SIRES 的关键突破在于通过材料组成和界面电阻调控，使上述两个效应在电路层面形成补偿。换言之，拉伸虽然会改变局部结构，但系统总电阻可保持近似恒定，从而维持稳定的电化学输出。研究团队进一步利用Modified Randles 等效电路对这一过程进行建模，证明 SIRES 可以通过电路级设计实现应变下的高保真分子传感。

图2：SIRES 材料设计与耐拉伸性能表征

通用型多模态电化学传感阵列：兼容伏安、电流和电位检测

为了验证 SIRES 的通用性，研究团队进一步构建了多种典型电化学传感器，覆盖伏安型、安培型和电位型三类检测模式。

在伏安型检测中，团队利用碳纳米管界面的高电化学活性构建尿酸传感器。该传感器在高达 300% 拉伸应变下仍保持稳定灵敏度，仅出现很小的峰位偏移，并在 1000 次循环拉伸后保持良好检测性能。

在安培型检测中，团队构建了可拉伸葡萄糖传感器。通过将葡萄糖氧化酶、电化学介体和水性聚氨酯功能涂层整合到 SIRES 表面，传感器可在不同拉伸状态下稳定检测葡萄糖浓度。该可拉伸功能涂层还能有效保护传统脆性电化学活性材料，抑制其在应变下开裂和失效。

在电位型检测中，团队构建了基于聚苯胺的 pH 传感器，其响应斜率约为 55 mV/pH，并可在 300% 应变和 1000 次循环拉伸后保持稳定。此外，研究团队还开发了本征可拉伸 Ag/AgCl 参比电极，在 100% 应变下循环 1000 次后电位漂移约 1 mV，为完整可拉伸电化学系统提供了关键基础。

这些结果说明，SIRES 并不是某一种特定传感器的结构优化，而是一种可适配不同传感化学体系的通用型耐应变电化学生物界面。

图3：SIRES 多模态可拉伸电化学传感

可穿戴汗液监测：从运动场景中连续追踪代谢变化

在可穿戴应用中，研究团队将 SIRES 集成到可拉伸、透气的汗带中，构建了一个用于汗液多模态分析的柔性生物电子系统。该系统包括一次性可拉伸传感汗带和可重复使用的柔性电子模块，可通过蓝牙将葡萄糖、乳酸和 pH 等信号实时传输至手机端。

与传统依赖胶黏剂贴附的柔性贴片不同，SIRES 汗带可利用自身弹性与额头或手腕形成稳定接触，更适合运动状态下的连续监测。研究团队在健康志愿者中开展了骑行、跑步、划船机和椭圆机等运动实验，结果显示，该系统能够在不同身体部位和不同运动场景下稳定记录汗液中葡萄糖、乳酸和 pH 的动态变化。

这一结果表明，SIRES 有望用于运动健康管理、代谢状态评估和个性化生理监测，为未来可穿戴精准健康设备提供新的界面基础。

图 4： SIRES 可穿戴汗液监测系统

植入式动态组织检测：面向胃肠、伤口和肿瘤微环境

除可穿戴应用外，SIRES 的更大优势在于能够适应体内复杂动态组织环境。研究团队首先将 SIRES 与体外搏动猪心脏界面结合，证明其可在持续机械运动下保持贴合并稳定检测 pH、葡萄糖和乳酸等信号。

随后，研究团队开展了多种动物模型中的植入式验证。在胃部膳食反应监测中，SIRES 葡萄糖传感器被安装于大鼠胃浆膜表面，可在口服葡萄糖后记录餐后葡萄糖动态变化，显示出与商业血糖检测结果一致的生理趋势。在胃漏检测模型中，SIRES pH 传感器可快速响应不同 pH 的模拟泄漏液体，并区分不同严重程度的胃漏事件。

在糖尿病伤口模型中，SIRES 多模态阵列可同时检测伤口渗液中的过氧化氢、乳酸和 pH，并在细菌感染后捕捉到与炎症代谢相关的信号变化。在炎症性肠病模型中，SIRES 乳酸传感器能够记录肠道炎症进展及治疗后的乳酸变化。在膀胱肿瘤模型中，SIRES 过氧化氢传感器检测到肿瘤附近组织中过氧化氢水平明显升高，反映了肿瘤微环境中的氧化应激特征。

此外，SIRES 在大鼠体内 28 天皮下植入后显示出良好的生物相容性，预示着其未来用于长期植入式生物电子监测的潜力。

图5：SIRES 植入式动态组织分子监测

小结

SIRES 突破了柔性电化学传感器在动态组织环境中的核心瓶颈。该平台通过耐应变导体、电学可调界面和可拉伸功能涂层的协同设计，实现了从“本征可拉伸”到“电化学信号耐应变”的跨越。更重要的是，SIRES 并非只适用于单一分子或单一检测场景，而是能够兼容伏安型、电位型和安培型多种电化学模式，并可拓展至可穿戴汗液监测和植入式器官分子检测。

这项工作为未来柔性生物电子器件的发展提供了新的设计范式：真正面向真实人体环境的生物电子系统，不仅要柔软、可拉伸、可贴合，更要在持续变形中保持分子信号的准确性和长期稳定性。未来，SIRES 有望进一步拓展至慢病管理、术后并发症预警、伤口感染评估、胃肠道疾病监测、肿瘤微环境分析以及闭环精准医疗等应用场景。

作者简介：

徐亚东，现任北京大学深圳研究生院研究员、助理教授、博士生导师，入选国家高层次人才计划青年项目。曾在美国加州理工学院医学工程系从事博士后研究。他本科毕业于四川大学材料化学专业，随后获得英国伦敦大学学院药物科学硕士学位，并于美国密苏里大学哥伦比亚分校获得化学工程博士学位。其长期致力于新一代生物集成电子技术研究，聚焦精准与个性化医疗中的关键临床需求，围绕柔性生物材料设计、可规模化制造、多模态可穿戴与植入式器件，以及人工智能赋能的数据分析与诊断，构建了从材料、制造到器件与智能诊疗的一体化研究体系。曾获国家优秀自费留学生奖学金、Outstanding Chemical Engineering PhD Student Award、Raymond White Dissertation Year Fellowship等奖励，现任Springer Nature旗下 Discover Electronics 编委。迄今已发表20余篇研究论文，以第一作者身份在 Science, Nat. Nanotechnol., Sci. Adv., PNAS 等期刊发表多篇研究成果，论文总引用2,000余次，相关研究受到 Nature、Nature Nanotechnology、Matter 等期刊以及《Scientific American》、《Science Daily》等逾百家媒体报导。目前课题组正在大力招收柔性电子、生物传感、可穿戴/植入式精准医疗设备、柔性功能材料、智能制造及 AI 健康诊断等方向的博士后、科研助理和联合培养博士生，欢迎材料、化学、物理、生物医学、机械、电子、人工智能等相关背景的申请人加入。感兴趣者可将个人简历及代表性成果发送至yadongxu@pku.edu.cn，邮件主题注明“姓名-职位申请类型-所在单位”。

高伟，现任美国加州理工学院医学工程系终身教授，担任 Science Advances, Biosensors & Bioelectronics, Sensors & Diagnostics与npj Flexible Electronics等多个国际期刊副主编。曾获评美国自然科学基金委杰出青年奖、国际医学与生物工程科学院杰出青年奖、海军研究总署青年科学家奖、斯隆研究奖、IEEE医学与生物学工程学会技术成就奖、IEEE医学与生物学工程学会青年成就奖、IEEE传感器理事会技术成就奖、世界经济论坛青年科学家、美国化学会青年研究员奖等诸多奖项，入选IEEE会士、美国医学与生物工程院会士（AIMBE）、英国皇家化学协会会士（RSC）和麻省理工技术评论“35岁以下科技创新35人”全球榜单。近五年来课题组工作在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. 等期刊发表论文60余篇。总引用超过50,000次，H-index 106。

论文链接：science.org/doi/10.1126/science.aed1630