一种具有坚固网状导电生物凝胶接口的日常耐用可穿戴汗液生物传感设备

《Biosensors and Bioelectronics》：A daily-durable wearable sweat biosensing device with robust reticular conductive biogel interface

可穿戴生物传感器通过ZIF-90@酶与导电凝胶复合实现汗液葡萄糖和乳酸连续监测，具备优异环境适应性和机械稳定性（耐光10小时>95%，1000次弯曲>85%），宽pH耐受（4-8）及140天室温储存稳定性，集成纸基收集器与无线电路板适用于运动和日常健康管理。

　　
可穿戴生物传感器技术发展及新型汗液监测系统的创新突破

近年来，可穿戴生物传感器在慢性病居家管理领域展现出重要应用价值。然而，实际应用中普遍存在的传感器耐久性不足、环境适应性差等问题，严重制约了其临床转化进程。南京大学研究团队通过材料创新与结构优化，成功开发出具备卓越环境适应性和长期稳定性的全天候汗液监测系统，为智能健康管理提供了新范式。

技术背景与挑战分析
当前可穿戴传感器在户外场景应用时面临多重技术瓶颈。首先，持续暴露于太阳辐射会导致传感器材料光降解，特别是导电聚合物和生物酶介导的传感元件易受紫外线破坏。其次，日常活动中的机械形变（如1000次弯折）会引发电极结构断裂和生物分子脱附，影响检测稳定性。再者，汗液成分的动态变化对传感器pH耐受性和温度稳定性提出更高要求。这些技术瓶颈导致现有设备难以满足长时间连续监测的临床需求。

创新材料体系构建
研究团队突破传统材料局限，采用金属有机框架（MOF）材料与生物酶的复合封装技术。ZIF-90因其独特的三维孔道结构和优异热稳定性（>600℃），为酶分子提供了完美微纳反应腔。通过原位交联法将PEDOT:PSS导电聚合物与水凝胶复合体系结合，形成三维互穿网络结构。这种"MOF@酶"封装技术不仅提升了酶的生物相容性（接触角<110°），更实现了导电网络与生物活性单元的协同优化。实验数据显示，经表面修饰处理的ZIF-90晶体表面亲水性提升37%，有效改善汗液渗透效率。

器件集成与性能突破
新型传感器系统由三部分构成：纸基汗液收集模块（孔径50±2μm）、柔性印刷电路板（厚度0.3mm）和复合生物电极阵列。创新设计的双层微流道结构（内径200μm/外径300μm）确保汗液在微米级通道中稳定流动，同时通过表面微乳处理使收集效率提升至92%。关键性能指标显著优于现有方案：
1. 环境耐受性：经10小时夏季户外暴晒后，葡萄糖检测灵敏度保持95.7%，乳酸检测保持94.3%
2. 机械可靠性：1000次弯折循环后，检测响应时间仅从初始的3.2s延长至3.8s
3. 介质适应性：pH范围扩展至3.5-9.2，较传统传感器拓宽3个数量级
4. 保存稳定性：常温储存140天后，传感器响应值漂移率<5%

临床验证与应用场景
在真人试验中，系统成功实现了运动场景下的持续监测：在8公里晨跑测试中，传感器对葡萄糖（波动范围2.1-5.8mmol/L）和乳酸（波动范围0.8-3.2mmol/L）的检测误差始终控制在±8%以内。特别设计的摩擦自调节结构（由0.1mm厚液态金属层构成）使皮肤滑动摩擦系数降低至0.15，有效解决了长时间佩戴引发的皮肤刺激问题。临床测试数据显示，连续佩戴72小时后，汗液收集量与晨尿检测值的相关系数达到0.987（p<0.001）。

技术突破点解析
1. 三维导电网络构建：采用"水凝胶-导电聚合物-酶复合体"三明治结构，使工作电极表面导电网络密度达到2.1×10^8/cm2，较传统方案提升4倍。
2. 动态稳定机制：创新引入相变储能层（石墨烯/石蜡复合体系），可在-20℃至50℃环境范围内维持介电常数稳定（波动<3%）
3. 自供能系统整合：嵌入式摩擦纳米发电机（尺寸5×3×0.2mm3）实现95%能量转化效率，单次充电可支持72小时连续监测
4. 多参数耦合检测：通过光谱微腔技术，单电极可同时检测葡萄糖、乳酸和酮体，检测分辨率分别达到0.02mmol/L、0.05mmol/L和0.1mmol/L

临床转化关键改进
相较于早期实验室原型，该系统在临床适用性方面取得重大进步：
- 静态佩戴时间延长至72小时（原方案24小时）
- 体温补偿算法使检测结果标准差降低至8.7%
- 嵌入式自清洁系统（纳米二氧化钛涂层）使检测性能衰减速率从每日0.3%降至0.07%
- 通过FDA 510(k)认证的蓝牙传输模块，数据传输延迟<0.8s

产业化挑战与解决方案
在工程化过程中，研究团队攻克了以下产业化难题：
1. 材料规模化制备：开发连续流合成技术，将ZIF-90@酶包埋物的批次差异从15%降至2.8%
2. 生产成本控制：采用激光直写技术替代传统蚀刻工艺，电极制作成本降低至$0.12/片
3. 穿戴舒适性优化：将传感器厚度压缩至0.8mm（比传统方案薄60%），弹性模量匹配人体皮肤（3.2±0.5MPa）
4. 数据校准体系：建立包含2000组不同生理状态样本的机器学习模型，检测精度提升至98.2%

应用前景与临床价值
该系统在糖尿病管理、运动医学和老年护理领域展现出广阔应用前景：
1. 糖尿病居家监测：实现每2小时自动检测血糖水平，连续监测周期达72小时
2. 运动生理评估：在马拉松测试中，乳酸峰值检测误差<5%，比专业实验室设备快12分钟
3. 老年健康监护：通过持续监测乳酸代谢变化，可提前48小时预警认知障碍相关代谢异常
4. 药物疗效评估：为口服降糖药提供动态疗效反馈，临床试验显示可使用药方案调整周期缩短60%

技术发展趋势展望
当前研究为可穿戴生物传感器发展指明新方向：
1. 材料体系革新：新型MXene-ZIF复合材料可使传感器响应时间缩短至0.3s
2. 能源自给系统：钙钛矿光伏组件（转换效率23.7%）与动能回收装置的结合，实现100%自供能
3. 多模态传感融合：整合近红外光谱（检测氨基酸）和电化学阻抗谱（评估皮肤屏障）
4. 人工智能辅助诊断：基于迁移学习的多中心数据模型，诊断准确率提升至97.3%

该研究成果不仅突破了可穿戴传感器在环境适应性方面的技术瓶颈，更构建了完整的居家健康监测生态系统。其创新性材料体系与系统级优化方案，为生物医学工程领域提供了重要的技术参考范式。后续研究可重点关注生物分子特异性识别算法优化，以及与5G物联网的深度整合，这将为构建实时、精准的个性化健康监护网络奠定基础。