《Sensors and Actuators A: Physical》：A flexible surface acoustic wave biosensor for strain-decoupled wound monitoring
编辑推荐：
•这种柔性表面声波生物传感器可检测炎症因子。•具有出色的应变响应能力，线性度高达3000 με。•通过信号解耦策略可从干扰中提取纯净的生物信号。•对肿瘤坏死因子α的检测下限为1040 pg/mL，特异性超过90%。引言伤口修复是人体内最复杂的生物过程之一[1]、[2]。近期研究显
- •
这种柔性表面声波生物传感器可检测炎症因子。
- •
具有出色的应变响应能力，线性度高达3000 με。
- •
通过信号解耦策略可从干扰中提取纯净的生物信号。
- •
对肿瘤坏死因子α的检测下限为1040 pg/mL，特异性超过90%。
引言
伤口修复是人体内最复杂的生物过程之一[1]、[2]。近期研究显示，机械信号与炎症细胞因子共同调控皮肤修复过程[3]、[4]：适当的机械刺激能够促进表皮再生、血管生成以及细胞外基质的重塑[4]、[5]，而细胞因子介导的信号传导则负责调节免疫细胞的招募及炎症反应的消退[6]、[7]。因此，同时获取局部机械信息与生化信息对于了解伤口愈合动态并制定个性化治疗方案具有重要意义[8]、[9]。然而，现有的传感技术通常只能监测生化信号或机械应变中的某一者，难以同时获得这两种类型的信息[10]、[11]、[12]、[13]、[14]、[15]、[16]、[17]、[18]、[19]。这一局限影响了对伤口微环境的全面评估，也阻碍了精准治疗策略的开发[8]、[9]。
声学技术为解决这一难题提供了有效途径[20]、[21]、[22]、[23]、[24]。柔性表面声波传感器利用压电材料上的声波传播特性，具有尺寸小巧、无需外部供电、可穿戴以及能够贴合曲面等优势[23]、[25]、[26]。这些特点使得它们在应变检测与生物医学检测领域都备受关注。在应变检测方面，基于ZnO/PI材料的柔性表面声波器件可实现高灵敏度的机械监测，其在兰姆波模式下的应变灵敏度可达1330 Hz/με[27]。在生化检测方面，表面声波生物传感器已被用于检测液体中的细胞粘附情况、细菌以及蛋白质[23]、[24]。例如，洛夫波/SH表面声波传感器被用于监测伤口愈合模型中细胞的扩散与脱落情况[28]，而基于PEN材料的柔性表面声波传感器则被用于检测大肠杆菌[29]。相比之下，对于那些更小的蛋白质生物标志物，比如肿瘤坏死因子α这类炎症蛋白，目前仍主要依赖LiNbO3、ST切割石英以及36° YX-LiTaO3这类刚性压电基板来进行检测[23]、[24]、[28]。在基于柔性聚合物的表面声波平台上进行蛋白质检测的研究还相对较少，而柔性伤口生物标志物检测则多采用电化学免疫传感器等非表面声波技术来实现[30]。
尽管柔性表面声波器件在同时实现机械与生化检测方面具有巨大潜力，但实际应用于伤口监测时仍存在一个核心难题。传感器必须贴附在皮肤或伤口敷料上，而皮肤的拉伸、关节的活动以及敷料的变形都会产生机械应变。这类变形会改变声波的传播路径与速度，从而导致共振频率发生偏移。这种由应变引起的频率变化又会与生物分子吸附所带来的质量负载效应产生的频率变化相互叠加，进而影响生化检测的准确性[31]、[32]、[33]。
为解决这一问题，我们开发了一种具有良好应变响应特性的柔性表面声波生物传感器。我们在聚酰亚胺柔性基底上沉积了氧化锌压电薄膜，从而构建出一种能够同时实现稳定应变响应与特异性检测TNF-α功能的单芯片器件（见图1）。通过声学仿真、结构设计以及器件制作，这款经过功能化处理的传感器在0–3000 με的范围内表现出高度线性的应变响应，其灵敏度为114 Hz/με，R2值达到0.988。这种可预测的响应特性为估算机械作用带来的频率偏移以及后续的信号校正提供了依据。此外，该功能化器件对TNF-α的响应强度与浓度呈正相关，并且在存在机械应变的情况下仍能保持较为稳定的生物检测性能。这一成果证明了柔性表面声波器件在同步监测伤口的机械信号与炎症信号方面的应用可行性。
章节要点
柔性表面声波器件的制备
我们通过标准的光刻与剥离工艺，在涂有氧化锌的聚酰亚胺基底上制备出了传统的双向叉指换能器。所设计的叉指换能器包含100对叉指结构（见图2a），每对叉指的宽度为5 μm，间距也为5 μm（见图2b），声学开口直径为8毫米，叉指之间的间距为4毫米。该器件中激发的是兰姆波，所使用的聚酰亚胺基底厚度为40 μm，氧化锌薄膜厚度为4 μm（见图2c,S1）。
理论分析与仿真
我们使用COMSOL Multiphysics软件进行了有限元仿真，分析了在0-450 MHz频率范围内，带有4 μm厚氧化锌膜的柔性兰姆波表面声波器件的振动模式。共识别出四种兰姆波模式，其中包括两种反对称模式，其频率分别为73.2 MHz和91 MHz；还有两种对称模式，频率分别为257 MHz和410 MHz（见图4a）。
为了确定一种既适合高效生物检测又具备稳定机械响应特性的工作模式，我们需要考虑质量负载效应……
结论
总体而言，本研究成功开发出一种高性能的柔性表面声波生物传感器，同时解决了传统同类传感器存在的一个关键问题，即机械应变引入的噪声会干扰生物信号的检测。该传感器能够从同一检测区域同时获取机械应变信息与生物信号数据。具体而言，通过声学仿真、结构设计以及器件制作，我们打造出了一款兼具多种优异特性的柔性表面声波传感平台……
利益冲突声明
所有作者均声明不存在任何可能影响本研究结果的竞争性财务利益关系。本稿件已获得所有作者的同意方可发表。我代表所有共同作者声明，本研究为原创性工作，此前尚未在任何地方发表过，也不会被其他期刊考虑发表。
CRediT作者贡献说明
张佳赫：软件设计、定量分析。 丛志伟：验证工作、方法设计、实验研究、概念构思。 雷慕瑶：初稿撰写、结果可视化、验证工作、方法设计、定量分析、数据整理。 王朝辉：论文润色、验证工作、项目管理、资金申请、概念构思。 郑腾飞：论文润色、实验研究、数据整理、概念构思。
利益冲突声明
所有作者均声明不存在任何可能影响本研究结果的已知竞争性财务利益或个人关系。
致谢
本研究得到了中国国家自然科学基金（项目编号：52175545）的资助。
雷慕瑶是西安交通大学的博士研究生，她的研究兴趣包括微电子机械系统、表面声波技术、生物传感器、芯片上的类器官模型以及软体机器人技术。
Muyao Lei|Zhiwei Cong|Jiahe Zhang|Tengfei Zheng|Chaohui Wang
