電化學(xué)生物傳感器已成為通過非侵入性汗液分析來跟蹤人體生理動態(tài)的有前途的工具。然而，以高度可控的方式集成多路傳感器以實現(xiàn)長期可靠的生物傳感，仍然是關(guān)鍵挑戰(zhàn)。

為了解決這一問題，南方科技大學(xué)林苑菁助理教授聯(lián)合香港科技大學(xué)范智勇教授團(tuán)隊開發(fā)了一種基于完全噴墨打印的可穿戴柔性集成系統(tǒng)，實現(xiàn)超高靈敏及穩(wěn)定性的多模態(tài)生物傳感陣列。該方法充分優(yōu)化了噴墨打印的墨水配方，以確保器件良率，并精確優(yōu)化活性層厚度。值得關(guān)注的是，液滴輔助工藝可以在層之間產(chǎn)生無縫且均勻的滲透型界面，從而極大提高傳感器功能材料層之間的機(jī)械穩(wěn)定性和電子傳輸。打印的葡萄糖和酒精傳感器的靈敏度分別達(dá)到313.28 μA/mM/cm2和0.87 μA/mM/cm2，并可實現(xiàn)長達(dá)30小時的連續(xù)汗液監(jiān)測，是目前基于噴墨打印的酶基傳感器最優(yōu)的性能之一。

此外，陣列中引入酸堿性（pH）與溫度校準(zhǔn)，提高汗液成分分析的準(zhǔn)確性。該研究以“Ultra-Sensitive and Stable Multiplexed Biosensors Array in Fully Printed and Integrated Platforms for Reliable Perspiration Analysis”題為發(fā)表在《Advanced Materials》期刊上。

圖1 用于多模態(tài)表皮汗液分析的全打印集成系統(tǒng)示意圖與實物圖

打印材料和打印層的合成和優(yōu)化

研究人員對合成的微納米材料復(fù)合墨水的進(jìn)行了優(yōu)化，包括Ag、Au、PB、PANI、Graphene、GOx、AOx、PVB、Nafion和UV epoxy油墨，以滿足噴墨打印的表面張力和粘度等方面的要求。可以觀察到材料沉積的均勻性和獨(dú)特的滲透型界面。



圖2 用于傳感器制造的噴墨打印油墨的表征

傳感器陣列系統(tǒng)的優(yōu)化和表征

為了在最小漂移的情況下實現(xiàn)超高靈敏度和穩(wěn)定性，可打印材料的載量經(jīng)過仔細(xì)優(yōu)化。葡萄糖傳感器的提取靈敏度在20 ~ 200μM的線性響應(yīng)范圍內(nèi)達(dá)到313.28 μA/mM/cm2，滿足了汗液血糖監(jiān)測的要求。酒精傳感器在5 ~ 30 mM范圍內(nèi)提供0.87 μA/mM/cm2的最佳靈敏度。同時，葡萄糖與酒精傳感器均表現(xiàn)出良好的選擇性。由于葡萄糖與酒精氧化酶活性會受到pH和溫度的影響，因此對不同溫度和不同pH下對傳感器性能進(jìn)行系統(tǒng)研究，以方便陣列內(nèi)生物信號校準(zhǔn)。用PANI納米線和石墨烯量子點(diǎn)修飾的高選擇性pH傳感器在人體汗液pH范圍中表現(xiàn)出71.125 mV/decade的靈敏度，同時溫度傳感器的靈敏度為1.098 Ω/°C。高可控性的噴墨打印工藝還極大保證了傳感器陣列的性能一致性。

此外，傳感器陣列具有極高的機(jī)械穩(wěn)定性及電化學(xué)穩(wěn)定性。使用重復(fù)彎曲和粘附測試來測試噴墨打印傳感器的機(jī)械穩(wěn)定性。經(jīng)過500次135°彎曲后，機(jī)械應(yīng)力對傳感器分析性能的干擾小于3%。傳感器可實現(xiàn)連續(xù)監(jiān)測不同濃度的人工汗液長達(dá)30小時，葡萄糖、酒精和pH傳感器的信號漂移約為0.08 μA/h、0.06 μA/h和0.09 mV/h。

圖3 全打印多路傳感器的實驗特性，包括傳感器靈敏度、選擇性以及酶基傳感器對pH值和溫度變化的相關(guān)性

圖4 全打印柔性傳感器陣列的再現(xiàn)性、可彎曲性和穩(wěn)定性評估

傳感器系統(tǒng)的可靠性驗證與原位汗液監(jiān)測

為了評估了集成傳感器系統(tǒng)消除傳感器串?dāng)_的能力，采用人工汗液（含有NCl、NH?Cl、KCl、Urea的PBS溶液）進(jìn)行不同濃度與pH測試，結(jié)果顯示，從傳感器陣列獲得的測試值與單個傳感器獲得的測試值具有高度一致性。另外，在真實汗液樣本中，陣列內(nèi)生物信號校準(zhǔn)的準(zhǔn)確度超過98%，表明噴墨打印傳感器系統(tǒng)的可靠性。

圖5 使用人工汗液與真實汗液對系統(tǒng)進(jìn)行可靠性評估

系統(tǒng)隨后被應(yīng)用于可穿戴原位汗液監(jiān)測。對兩名受試者進(jìn)行飲食后（包含飲用可樂及飲酒），對汗液葡萄糖、酒精、pH和表皮溫度進(jìn)行實時監(jiān)測。結(jié)果表明汗液中的葡萄糖和酒精會受到攝入量的顯著影響。

圖6 使用傳感器系統(tǒng)進(jìn)行體內(nèi)實時表皮汗液分析與手機(jī)用戶界面

綜上所述，研究團(tuán)隊采用全噴墨打印的方法，通過對可打印油墨配方和制造工藝的系統(tǒng)研究，構(gòu)建了獨(dú)特且均勻的滲透型界面。因此，實現(xiàn)了超高靈敏度的酶基傳感器，抑制了信號漂移，實現(xiàn)連續(xù)監(jiān)測的穩(wěn)定性及器件使用壽命。此外，通過陣列內(nèi)生物信號校準(zhǔn)，考慮到pH值和溫度變化的影響。這種構(gòu)建可穿戴集成生物傳感系統(tǒng)的全打印制造策略將為多模態(tài)傳感器的可控制備提供新思路，以此促進(jìn)智能的個性化醫(yī)療、預(yù)診斷和醫(yī)療物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的發(fā)展。

論文鏈接：

https://doi.org/10.1002/adma.202311106

審核編輯：劉清