《Current Opinion in Electrochemistry》：Next-Generation Wearable Electrochemical Sensors for Personalized Healthcare
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日益增长的医疗需求、柔性电子技术的进步以及数字健康技术的发展，使可穿戴传感器成为连续、非侵入性健康监测的重要工具。这些传感器通过实现对生理和生化信息的连续监测，为早期诊断和个体化治疗开辟了新途径。本综述对可穿戴电化学传感器的最新进展进行了全面评估，重点涵盖传感
日益增长的医疗需求、柔性电子技术的进步以及数字健康技术的发展，使可穿戴传感器成为连续、非侵入性健康监测的重要工具。这些传感器通过实现对生理和生化信息的连续监测，为早期诊断和个体化治疗开辟了新途径。本综述对可穿戴电化学传感器的最新进展进行了全面评估，重点涵盖传感器构建、功能材料、传感原理、生物流体选择、人工智能（AI）、物联网（IoT）集成及新兴趋势，并批判性讨论了当前局限与未来机遇。该综述首先介绍了基本组件、先进材料、制造方法和工作原理，涵盖电化学、压电、摩擦电、电容、压阻、光学和磁传感方法。接着讨论了用于生物流体分析（包括汗液、间质液、唾液和泪液）的可穿戴系统，这些系统可实现非侵入性生化智能健康监测。综述还强调了AI和机器学习在数据解读中的作用，以及用于实时应用的无线通信和物联网技术。进一步探讨了可穿戴电化学传感器的最新进展——包括先进技术、闭环系统、多模态传感器集成和自供电能源。最后，讨论了下一代可穿戴传感系统在医疗保健中的前瞻性方向，以及当前在可靠性、长期稳定性、数据管理和广泛采用方面存在的问题。
本综述系统总结了可穿戴电化学传感器在个性化医疗保健领域的最新研究进展，内容涵盖传感器构建、功能材料、传感原理、生物流体选择、人工智能（AI）与物联网（IoT）集成以及新兴发展趋势。
1. 引言
文章指出，全球人口老龄化、慢性病患病率上升以及公共卫生事件频发，推动健康管理从“被动治疗”向“主动防御”转变。世界卫生组织（WHO）估计，非传染性疾病约占全球死亡总数的74%，其中心血管疾病约占三分之一。可穿戴技术市场预计到2029年将达到1500亿美元。早期可穿戴设备主要集中于物理传感，如计步、心率和热量消耗监测，而近年来已扩展至糖尿病管理和老年患者远程监护等医疗应用。尽管许多平台正处于临床评估阶段，但成功商业化的产品仍然有限。
2. 可穿戴传感器的构建
可靠的可穿戴电化学传感器需要集成设计生物识别元件、信号转导策略、电极和基底材料及制造方法。生物识别元件包括酶、抗体、适配体和分子印迹聚合物（MIPs），其中适配体因其高亲和力、优异稳定性、低免疫原性及适合连续生物标志物监测而受到广泛关注。信号转导通过将反应特异性信号转换为电流、电位、阻抗或电导等可测量电学参数来实现。电极材料方面，传统碳基和金基电极仍广泛使用，但活性表面积和催化活性有限，因此引入了金属纳米颗粒、氧化石墨烯（GO）、碳纳米管（CNTs）、MXenes、石墨烯、金属有机框架（MOFs）、纳米多孔金、水凝胶和导电聚合物等先进纳米材料。这些材料通过增强电子转移、增大电活性面积、改善生物分子固定和催化信号放大来提高传感性能。基底材料需具备柔性、生物相容性和机械强度，常用聚合物如聚对苯二甲酸乙二醇酯、聚酰亚胺、聚二甲基硅氧烷和硅酮，水凝胶如聚乙烯醇（PVA）、海藻酸盐和明胶则有助于生物流体吸收和传输。制造策略包括丝网印刷、光刻、电沉积、激光加工和增材制造，需在灵敏度、机械柔性、可重复性和大规模生产之间取得平衡。
3. 可穿戴传感器的工作原理
电化学传感是目前应用最广泛的可穿戴传感技术，具有传感器小型化、高灵敏度和免标记直接测量等优势。主要采用安培法、电位法、伏安法和电化学阻抗谱（EIS）等转导过程，将生物化学反应转换为电信号。此外，电子皮肤传感器基于信号转导机制分为压阻式、电容式、压电式等类型。压电和摩擦电传感器是自供电系统，可将机械刺激转换为电信号；电容和压阻传感器分别通过电容和电阻变化工作；光学传感器通过检测光传输或波长变化实现抗噪声测量；磁传感器通过检测组织运动引起的磁场变化进行非接触低功耗传感。
4. 可穿戴生物流体传感器
表皮微流控可穿戴传感器可对汗液、间质液（ISF）、唾液和泪液中的生物标志物进行连续非侵入监测。汗液是最常用的表皮生物流体，易于收集且含有离子、代谢物、激素和蛋白质。例如，一种集成可穿戴汗液传感贴片可同时检测左旋多巴、抗坏血酸（AA）和葡萄糖，用于帕金森病（PD）生物标志物实时监测，并采用铜-氧化酶杂化纳米花提高酶稳定性。另一项研究基于羧甲基纤维素钠（CMC-Na）双网络纳米复合水凝胶开发了多功能传感器，同时实现运动监测和汗液葡萄糖检测，利用葡萄糖氧化酶-巯基乙酸-金纳米颗粒（GOx-TGA-AuNP）实现灵敏电化学检测。ISF位于皮肤下方，成分与血液相近，可通过微针或反向离子电渗法无创获取。一项研究开发了基于微针提取模块和石墨烯场效应晶体管（GFET）的纳米传感器，用于检测ISF中阿尔茨海默病相关生物标志物Aβ42、Aβ40和p-tau217，显示出高选择性和可靠性。唾液易于获取，包含电解质、代谢物、肽、蛋白质和核酸，反映口腔和全身生理状态。一种基于分子印迹聚合物（MIP）和氧化石墨烯中间层的电化学传感器被集成到护齿器中，用于无创检测唾液中的基质金属蛋白酶-8（MMP-8），并通过深度学习提高诊断准确性。泪液含有蛋白质、脂质、葡萄糖和电解质，可提供眼部及全身疾病信息。一种可穿戴微流控比色系统可同时检测泪液中的维生素C、pH、Ca2?和蛋白质，利用多通道卷积循环神经网络（CNN-GRU）校正颜色变化，实现高精度监测。
5. AI、ML和物联网集成的可穿戴传感器
可穿戴传感器在动态环境中工作，信号易受运动、环境变化和生物变异影响，因此需要进行噪声滤波、基线校正和重新校准。随着连续多模态数据量增长，人工智能（AI）和机器学习（ML）成为提取生理信息的关键工具。传统ML技术如支持向量机（SVM）和人工神经网络（ANN）适用于较小数据集，而深度学习（DL）模型如卷积神经网络（CNN）、循环神经网络（RNN）和长短期记忆网络（LSTM）可自动提取特征并处理高维多模态数据。例如，一种多模态可穿戴设备通过整合生理和分子生物标志物，利用ML实现连续压力监测和分类。另一种基于水凝胶的多感官贴片结合压力、温度和接近传感，使用一维CNN分析睡眠姿势和异常模式。无线通信技术如低功耗蓝牙（BLE）、近场通信（NFC）、LoRa、Zigbee和NB-IoT实现了柔性连续数据传输。例如，一种可穿戴汗液传感平台结合电化学检测和电泳显示，通过颜色变化直观显示乳酸水平，并通过云存储实现数据管理。
6. 新兴趋势
6.1 先进电化学技术
有机电化学晶体管（OECTs）通过离子-电子导电通道的可逆掺杂实现信号放大，具有体积小、功耗低、灵敏度可调等优点。一种基于OECT的微针传感阵列被用于皮下葡萄糖连续监测，在高噪声环境下仍表现出高信噪比和稳定性。
6.2 闭环监测
“感知-执行”系统根据生物标志物反馈实现按需药物输送。例如，一种自供电可穿戴贴片集成压电发电机、水合传感器和微针给药模块，用于特应性皮炎的闭环监测和治疗。另一项研究开发了无电池可穿戴智能治疗矫正器（WiB-ITA），采用蝴蝶仿生双面集成治疗电极阵列（iTEA），可同时监测口腔pH和亚硝酸盐，并通过电化学触发释放抗菌药物，实现牙周炎和龋齿的闭环管理。
6.3 多模态传感集成
多模态可穿戴系统可同时监测生理、生化和物理信号。例如，一种折叠结构皮肤贴片集成刚性和柔性组件，支持心血管监测的电流和光学传感，并配备微泵实现按需给药。另一种无芯片神经形态可穿戴系统利用印刷人工突触实现实时设备端多模态信号处理，包括代谢物、心率和体温监测。
6.4 供电系统
自供电技术利用太阳能、生物化学反应或人体运动能量替代锂电池。例如，柔性钙钛矿太阳能电池可驱动汗液代谢监测，在室内外光照下连续工作超过12小时。一种基于激光诱导石墨烯的一体化自供电系统集成生物燃料电池、锌/二氧化锰电池和多种传感器，可同时监测葡萄糖、抗坏血酸、心电图（ECG）和肌电图（EMG）。此外，一种自供电水凝胶电子皮肤可同时感知温度、脉搏和汗液钠离子，并通过ML实现信号分离，支持健康监测和人机交互。
7. 挑战与未来展望
尽管取得显著进展，可穿戴电化学传感器的广泛应用仍面临挑战。在机械形变和复杂生理条件下实现高灵敏度、高可靠性和长期稳定性仍然困难，尤其是低丰度生物标志物检测易受生物污染、信号漂移和干扰影响。系统集成需要将传感元件、微流控、电子器件、电源和无线通信无缝集成到柔性、微型化、舒适的平台中。未来，AI驱动的数据分析有望改善信号解读、漂移补偿、个性化校准和多模态数据融合。然而，临床转化需要标准化制造、可扩展生产、严格临床验证、监管批准和健康数据安全管理。近期美国食品药品监督管理局（FDA）批准的Lumipulse? G pTau217/β-淀粉样蛋白1-42血浆比值检测，为可穿戴电化学生物标志物诊断的监管和商业化提供了重要参考。跨学科合作将加速可穿戴电化学传感器从实验室原型向临床可靠技术的转化。
