本文主要聚焦于课题组在2024年度关于智能可穿戴生物传感器和生物医药方面的研究成果进行介绍。该系列成果受到国家自然科学基金、装备教育联合基金、深圳市重点实验室、深圳大学2035追求卓越研究计划和深圳大学合成生物学研究中心研究基金等项目资助。
1.高效单向药物输送和伤口护理的水凝胶功能化绷带
报道了一种具有Janus润湿性的双层结构的水凝胶功能化绷带，可实现单向药物输送和多功能伤口护理。Janus图案绷带上层具有多孔梯度润湿通道，负责药物从外部到创面床的单向转运（药物转运效率高达90%），同时防止药物向不需要的方向扩散（<8%）。底层由壳聚糖季铵盐（HACC）、聚乙烯醇（PVA）和聚丙烯酸（PAA）组成的水凝胶使其具有生物相容性、优异的抗菌性能和止血能力，促进伤口愈合。特别是，具有Janus润湿性的水凝胶功能化绷带表现出优异的机械柔韧性（~198％应变），可以很好地适应皮肤变形（拉伸、弯曲或扭曲）并保持单向药物输送行为而不会发生任何泄漏。体内全层皮肤伤口模型证实，水凝胶功能化绷带可显着促进上皮化和胶原沉积，提高药物递送效率，从而促进伤口闭合和愈合（第15天伤口愈合率为98.10%）。该论文发表在自然指数期刊《ACS Nano》上，深圳大学为唯一完成单位。
原文链接：https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acsnano.3c10766
图1.水凝胶功能化绷带制备及其机理
2.支持伤口pH值视觉监测的自消毒微针传感贴片
提出了能够抑制伤口感染并跟踪伤口愈合状态的智能微针传感。基于金属有机框架（MOF）水凝胶的微针尖端可以快速自我消毒并促进伤口愈合。微针贴片的基底基于pH敏感荧光试剂，可以与智能手机集成以可视化图像。此外，通过应用机器学习算法可以进一步可靠地评估伤口pH值。多功能微针传感贴片建立了治疗与传感相结合的策略来解决延迟伤口管理问题，促进了MOF水凝胶的设计和优化，为疾病诊断和个性化健康管理提供了简便的方法。该论文发表在自然指数期刊《Advanced Functional Materials》上，深圳大学为唯一完成单位。
原文链接：https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adfm.202315067
图2.自消毒微针传感贴片机理
3.超低检测限制和自适应可切换的可穿戴压力传感器
提出了一种基于多尺度异质性（微/纳米级异质结构和宏观异质细胞骨架）的压阻接口，可以动态适应特定的压力传感要求。多刺Ag-MnO2压阻微粒中的微纳米级异质结构能够实现较低的检测限制（0.008 Pa），并在高预载下高分辨率（0.0083%）的感知较小的压力增量。此外，具有异质取向的细胞骨架能够实现各向异性变形，即在低压下快速变形和在高压下逐步释放。与具有同质或单尺度异质接口的传感器相比，这种异质方向的设计提供了可切换的灵敏度和工作范围，能够区分复杂的压力源。该论文发表在自然指数期刊《ACS Nano》上，深圳大学为第一完成单位。
原文链接：https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acsnano.3c12513
图3.基于多尺度异质性的压阻界面的设计
4.可穿戴比色面罩用于呼吸氨检测
提出了一种穿戴舒适的Janus比色面罩（JCFM），通过结合机器学习K-近邻（K-NN）算法来评估呼吸氨水平。润湿性差异的Janus面料能使得呼出的湿气单向渗透，保证面部皮肤干爽舒适。比色阵列上的四种不同的pH指示剂作为与氨发生交叉反应的识别元件，通过模仿哺乳动物复杂的嗅觉结构来捕获呼吸氨的光学指纹信息。欧氏距离（ED）用于定量描述1 ppm至10 ppm之间的氨浓度，表明氨浓度与ED响应之间存在线性关系（R2=0.988），检测限可达0.62 ppm。基于RGB响应特征的K-NN算法辅助分析目标氨水平，预测准确率达到96%。该论文发表在自然指数期刊《Analytical Chemistry》上，深圳大学为第一完成单位。
原文链接：https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acs.analchem.3c04383
图4.可穿戴比色面罩用于呼吸氨检测示意图
5.机器学习结合可穿戴设备，用于精准汗液监测和相关疾病预测
报道了一种包含监测模块、信号处理和无线通信的微系统，通过机器学习该便携式平台实现了混合条件的快速准确分类，以及在对DPV信息进行全面分析后对Tyr、Trp和pH值进行定量检测。通过监测两周内氨基酸补充剂摄入与否患者的汗液中氨基酸和pH值，我们发现汗液Tyr和Trp浓度之间存在很强的相关性，准确率达到99.3%。这种可穿戴传感器可以个性化监测汗液氨基酸和pH值，这对于运动-健康的指导至关重要。该论文发表在中科院一区期刊《Biosensors and Bioelectronics》上，深圳大学为唯一完成单位。
原文链接：https://doi.org/10.1016/j.bios.2024.116712
图5.机器学习驱动的可穿戴传感器用于区分汗液成分和预测疾病的示意图
6.用于多种健康生物标志物监测的可穿戴全集成微针阵列生物传感器
报道了一种全集成的微针阵列的小型化可穿戴生物传感器，可同时和持续地在体育锻炼期间监测与健康相关的生物标志物（例如葡萄糖、乳酸和酒精）。传感器由铂层、导电聚合物层、用于监测目标生物标志物的氧化酶层和功能化的Nafion保护层构成，其微针阵列已被证明具有优异生物相容性，可无痛地穿透角质层并进入间质液进行监测和分析，且具有高度灵敏性。该传感器经过反复对多个受试者的健身相关生物标志物进行长时间监测，发现结果显示与商业设备具有显著的相关性。此外，数据通过蓝牙传输到智能手机，并上传到云平台可以进行进一步的健康评估。该研究对促进运动健康领域的智能可穿戴设备开发具有显著的推动作用。该论文发表在中科院一区期刊《Biosensors and Bioelectronics》上，深圳大学为唯一完成单位。
原文链接：https://doi.org/10.1016/j.bios.2024.116697
图6.基于多路复用微针的可穿戴传感器系统的结构和及其原理
7.连续声动力治疗的全集成适形可穿戴超声系统
报道了一种可实现连续声动力学治疗的穿戴生物电子系统，该系统将超声阵列贴片和由小而精巧的超声驱动电路板以及交互软件组成，可直接连续地在皮肤表面使用。柔性压电陶瓷阵列产生的超声具有顺应性和灵活性，可以聚焦在皮肤下一定深度病灶部位，具有优异的ROS生成促进能力，最终可诱导癌症细胞死亡和肿瘤组织消融，实现连续的抗肿瘤治疗。该系统支持对超声贴片进行动态控制，并允许实时调整以优化其在各种应用中的性能，例如可通过贴片的形变实现超声聚焦空间可调性，例如超声聚焦的深度和范围，从而为医疗保健技术提供更大的灵活性和精度。该一体化可穿戴超声贴片系统克服了现有超声设备的局限性，包括外形笨重、价格昂贵和操作繁杂，能够精确调节超声病灶深度和范围，根据不同患者的个体需求提供量身定制的治疗，在声动力治疗领域具有广阔的应用潜力。该论文发表在自然指数期刊《Advances Materials》上，深圳大学为唯一完成单位。
原文链接：https://doi.org/10.1002/adma.202409528
图7.可连续声动力治疗的全集成适形可穿戴超声系统及抗肿瘤治疗示意图
8.无线实时细胞监测的集成Mini-Pillar平台
报道了一个集成的微型柱平台，用于原位监测多个细胞代谢过程，通过阵列式微型柱芯片实现培养基锚定和细胞培养。该平台集成了表面功能化微电极生物传感器，以构建一个集成的微型柱生物传感平台，能够实时、原位监测各种细胞的细胞生长过程。阵列式微型柱芯片可实现培养基和细胞阵列培养的亲水锚定。用聚苯胺（PANI）和树枝状金功能化的微电极生物传感器表现出优异的线性度（R2= 0.999）和高pH灵敏度（63.55 mV/pH），pH范围为6.0至8.0。卓越的生物传感性能使其具有广泛的适用性，有助于通过微型柱生物传感平台实时监测药物刺激诱导细胞培养基的pH值变化。长期原位监测还有助于3D细胞球体的辅助培养。这种简单、pH敏感且生物相容的细胞培养生物传感平台提供了一种监测细胞代谢的新方法，有望成为原位细胞培养的强大工具。该论文发表在中科院与Science集团合作的一区期刊《Research》上，深圳大学为唯一完成单位。
原文链接：https://spj.science.org/doi/10.34133/research.0422
图8.用于原位监测细胞代谢过程的集成微型柱生物传感平台示意图
9.极端水凝胶生物电子学
综述了能够在极端条件下工作的水凝胶，重点介绍了它们在生物电子系统中的应用，以及可以赋予水凝胶上述极端性能的材料开发和结构设计等策略。总结了当前构建用于生物电子应用的极端水凝胶的策略，包括抗机械损伤、抗脱落、抗溶胀、抗冻结和抗FBR水凝胶。在每种情况下，我们都指定了极端条件如何损害水凝胶的结构或功能，以及不同的策略如何帮助减轻劣化。接下来描述了这些极端水凝胶实现的潜在生物电子应用。最后，讨论了开发极端水凝胶生物电子设备和系统的当前挑战和新机遇。该论文发表在自然指数期刊《Advanced Functional Materials》上，深圳大学为第二完成单位。
原文链接：https://doi.org/10.1002/adfm.202405896
图9.极端水凝胶生物电子学，包括抗机械损伤，抗肿胀，防冻等水凝胶生物电子学
10.实时生酮饮食管理的可穿戴垂直石墨烯微针生物传感器
提出了一种用于实时监测酮和葡萄糖的可穿戴微针生物传感器。该微针阵列具有优异的机械性能，可以对间质生物标志物进行一致的采样，同时减少与皮肤穿刺相关的疼痛。具有出色导电性的垂直石墨烯为所得传感器提供了234.18μa mM-1cm-2的高灵敏度和1.21μM的低限检测。在志愿者使用过程中，全集成的生物传感器显示出了强大的动态代谢物水平跟踪性能和分析能力。此外，体内评估的结果与商业血液测量结果具有显著的相关性。总体而言，这种经济高效的全集成的生物传感装置可以加速生酮饮食在个人营养和健康管理以及在肥胖、癫痫、糖尿病和阿尔茨海默病等疾病治疗中的应用。该论文发表在自然指数期刊《Analytical Chemistry》上，深圳大学为唯一完成单位。
原文链接：https://pubs.acs.org/doi/full/10.1021/acs.analchem.4c00960
图10.实时生酮饮食管理的可穿戴微针生物传感器的示意图和图像
11.生物化学传感器中人工智能算法
这篇综述深入探讨了将AI算法（包括分类、回归和聚类技术）集成到各种生化传感器中的最新进展。讨论涵盖了AI技术的代表性类型和功能，特别强调了它们在电化学、电化学发光、荧光、比色法和拉曼光谱学中的应用。为了激励其他研究人员使用AI技术合理有效地解决问题，我们精心概述了AI在各种上下文中的具体实现，包括辅助诊断、精确分析、性能增强和系统优化。通过详细探索人工智能如何在这些生化传感领域中发挥作用，阐明了应用的广度以及对传感技术的准确性和效率的潜在影响。最终，我们阐明了与生化传感器和AI融合相关的挑战和机遇。它不仅突出了商业化的光明前景，还解决了成功整合这些技术需要克服的障碍。该论文发表在中科院一区期刊《Trac-Trends in Analytical Chemistry》上，深圳大学为唯一完成单位。
原文链接：https://doi.org/10.1016/j.trac.2024.117613
图11. AI算法出于各种目的和功能处理生化传感器数据
