用于智能手机辅助监测间歇性出汗时皮质醇水平的可弯曲木质水凝胶贴片

《Biosensors and Bioelectronics》：Flexible wood-derived hydrogel patch for smartphone-assisted interval sweat cortisol profiling

　　

摘要

可穿戴生化传感器为无创皮质醇检测提供了有效途径。然而，现有的汗液皮质醇检测平台往往需要复杂的采集装置、电子读数模块或专用仪器。在此，我们介绍一种多层木质衍生水凝胶贴片，可用于便携式光学检测汗液中的皮质醇。该贴片将脱木素的轻木所具有的各向异性多孔结构与聚丙烯酰胺/聚乙烯醇/甘油水凝胶网络相结合，形成一种柔软且亲水的传感层，无需泵送即可实现汗液采集。嵌入传感层的皮质醇响应型福斯特共振能量转移探针能够实现分子识别，而黏附层和封装层则有助于提高贴片在湿润皮肤上的附着性及保水能力。配套的智能手机应用程序可用于实现皮质醇的便捷定量分析。在测试条件下，该贴片在人类汗液样本中1 pM的最低检测浓度下仍能产生明显反应。初步的人体试验表明，该技术可在运动相关、昼夜变化以及多次测量场景下实现汗液皮质醇的间隔性检测。这项工作将木质衍生材料应用于可穿戴生物传感领域，为便携式生化分析提供了一种生物衍生材料整合方案。

引言

皮质醇是下丘脑-垂体-肾上腺轴活动的重要内分泌生物标志物，与生理节律调控、身体应激反应以及压力相关的内分泌变化密切相关（de Sousa等人，2025；Grossman，2026；Lightman等人，2020；Russell和Lightman，2019；Singh等人，2023；Stalder等人，2025；Tang等人，2021；Thapar等人，2022；Torrente-Rodriguez等人，2020；Xu等人，2024）。虽然通过血液、唾液或汗液进行的传统皮质醇检测方法能够提供准确的分子水平数据，但这些方法通常需要专业的检测设备、受过培训的操作人员以及独立的样本采集流程（Anderson等人，2022；Zhou等人，2024）。因此，汗液和唾液作为无创的皮质醇检测生物流体，越来越受到关注（Chen等人，2025；Choi等人，2025；Davis等人，2024）。近年来，基于电化学、场效应晶体管、微流控及无线技术的发展，出现了多种可实现在体内或接近实时检测汗液皮质醇的可穿戴检测平台（Cheng等人，2021；Dong等人，2023；Li等人，2025；Liu等人，2025；Shajari等人，2023；Tu等人，2025；Wang等人，2024；Zhao等人，2025）。例如，一种用于实现汗液皮质醇时间分辨检测的可穿戴侧流检测方法，进一步凸显了在可穿戴激素检测中实现无创、动态样本采集的重要性（Cho等人，2026）。不过，要实现更进一步的进展，还需要开发出能够实现被动式汗液采集、简化采样流程、减少死体积及蒸发干扰，并具备低复杂度读数功能的材料（Lorestani等人，2025；Nyein等人，2021；Ma等人，2023b；Wang等人，2022b；Yue等人，2021；Zhu等人，2021）。

木材是一种储量丰富、具有生物相容性且部分可生物降解的多孔材料。其天然的微观和纳米级通道，包括导管和纹孔，可通过毛细作用引导液体传输（Guo等人，2024；Lin等人，2023；Wang和Shi，2025；Zhao等人，2020）。然而，天然木材的脆性及其有限的变形能力限制了其直接作为贴合皮肤的基底材料的使用。将脱木素处理的木材与亲水性水凝胶网络结合，既能够保留其层次分明的结构与连续的多尺度通道，又能提升材料的柔韧性、吸水性能以及与皮肤的适配性（Roy等人，2024）。在传感应用中，基于荧光技术的检测方法具有高灵敏度和低背景噪声的优势，可减少对电极转换电路的依赖（Keyvani等人，2023）。上转换纳米粒子因其近红外激发、可见光发射、较长的发光寿命以及良好的化学稳定性，成为非常理想的荧光供体材料（Abraham等人，2023；Lu等人，2024）。因此，将基于上转换纳米粒子的福斯特共振能量转移探针与木质-水凝胶支架相结合，为便携式汗液皮质醇检测提供了一种有效的材料整合方案，这类方案在被动式流体传输、生物衍生基底设计以及简化光学检测方面都具有显著优势（Ma等人，2023a；Ye等人，2024；Zhang等人，2024a）。

在此，我们介绍了一种由木质材料制成的柔性可穿戴贴片，可用于被动式汗液采集以及借助智能手机实现皮质醇的间隔性检测。该贴片包含一个经过荧光探针修饰的木质-水凝胶传感层、一层具有良好皮肤黏附性的聚丙烯酸-N-羟基琥珀酰亚胺酯/透明质酸钠水凝胶层，以及一层超薄的聚对苯二甲酸乙二醇酯封装膜（图1a）。通过采用由上转换纳米粒子-适配体复合物与互补DNA功能化金纳米粒子组成的福斯特共振能量转移对，可实现皮质醇的检测——当皮质醇与探针结合时，可在毛细力作用下实现汗液传输并伴随荧光信号的恢复（图1b、c）。黏附层通过与皮肤表面功能基团之间的共价相互作用，确保贴片在皮肤上的稳定附着，而其亲水网络则有助于汗液进入传感层（图1d）。封装层则有助于提高贴片的保水能力及检测信号的稳定性。我们还开发了一款名为VisCor的定制智能手机应用程序，用于获取离体荧光信号并进行数据分析，该应用内置了自动图像处理算法，可无需专业人员操作即可完成数据解读（图1e）。在健康志愿者身上进行的初步试验探讨了运动相关、昼夜变化以及长期监测下的汗液皮质醇变化情况，不同体重指数的人群所表现出的差异可作为初步研究结果（图1f）。总体而言，该检测平台为汗液皮质醇的间隔性检测提供了一种操作简便的方法，同时也为未来研究不同个体间的内分泌差异提供了基于生物衍生材料的分析框架。

章节要点

化学品与材料

除特别说明外，所有化学品均购自Sigma-Aldrich公司。盐酸、PVA、甲醇、甘油、乙醇、氨溶液、环己烷、柠檬酸三钠、过氧化氢以及醋酸均购自国药集团。丙烯酸N-羟基琥珀酰亚胺酯购自Macklin China Corporation公司。透明质酸钠由Bloomage Biotech Corporation公司提供。人工汗液及PAAm则购自Aladdin China Corporation公司。

木质水凝胶贴片的制备与表征

首先使用过氧化氢/醋酸对天然轻木进行脱木素处理，得到高度多孔的脱木素木片。从同一批木材中选取尺寸和生长方向相近的天然轻木样本，按照标准化流程进行处理，以此验证该基底制备方法的重复性与可靠性（图S1）。随后将PPG前驱体注入这些脱木素木片中，从而制得适用于可穿戴应用的透明WPPG材料（图2a）。

结论

在本研究中，我们开发了一种基于木质材料的水凝胶贴片，可用于实现被动式汗液采集以及借助智能手机进行皮质醇的间隔性检测。该检测平台能够在30分钟的佩戴时间内实现皮质醇的累计浓度检测，之后在采样后2小时的合理时间内通过光学方式获取检测结果。在真实的汗液样本中，该贴片在1 pM的最低检测浓度下仍能产生明显响应。实验结果的可靠性得到了

CRediT作者贡献说明

任一华：研究工作执行、资金获取。 庄东庆：研究工作执行。 张云：论文撰写与修改、研究指导、资源协调。 石俊鹏：论文初稿撰写、数据正式分析。 陈美婷：论文撰写与修改、初稿撰写、数据可视化、软件应用、研究方法设计、研究工作执行。 张胜航：资源协调。

未引用参考文献

Karuppaiah等人，2023；Wang等人，2022a；Zhang等人，2024b。

利益冲突声明

作者声明不存在任何可能影响本研究结果的利益冲突。

数据可用性

数据可应要求提供。

利益冲突声明

? 作者声明不存在任何已知的、可能影响本文研究结果的财务利益冲突或个人关系。

致谢

本研究得到了海西研究院自主部署项目研究计划、中国科学院（项目编号：CXZX-2022-GH10）、科学技术服务网络计划（2024T3005）、中国科学院海西研究院自主部署项目研究计划（项目编号：CXZX-2022-GS01）、厦门市重大科技项目（项目编号：3502Z20231040）以及XMIREM自主部署项目（项目编号：2023GG05、2023CX11）的支持。所有涉及人体实验的工作均严格按照相关规范进行

陈美婷|石俊鹏|张胜航|庄东庆|任一华|张云

中国科学院福建物质结构研究所结构化学国家重点实验室，中国福建省福州市350002