可拉伸生物電子學(xué)能夠與柔軟、動(dòng)態(tài)的組織實(shí)現(xiàn)緊密集成，并通過在運(yùn)動(dòng)過程中保持共形接觸，推動(dòng)了物理健康監(jiān)測(cè)技術(shù)的發(fā)展。將這些優(yōu)勢(shì)拓展至化學(xué)傳感領(lǐng)域卻面臨挑戰(zhàn)，這是因?yàn)殡娀瘜W(xué)讀數(shù)依賴于電荷傳輸與界面反應(yīng)的耦合過程，而這兩者極易受機(jī)械形變的影響。在實(shí)際應(yīng)用中，拉伸會(huì)改變電路電阻、改變電化學(xué)活性表面積，并調(diào)控界面動(dòng)力學(xué)與物質(zhì)傳輸，這些因素共同導(dǎo)致伏安信號(hào)和安培信號(hào)失真，同時(shí)引發(fā)基線漂移。

這類形變引發(fā)的信號(hào)干擾在發(fā)生大幅、持續(xù)形變的組織上尤為棘手，例如日?；顒?dòng)中的皮膚，以及蠕動(dòng)和擴(kuò)張狀態(tài)下的胃腸器官。在這些部位，即使是輕微的信號(hào)不穩(wěn)定，也會(huì)影響生物標(biāo)志物的定量解讀。因此，在動(dòng)態(tài)組織上實(shí)現(xiàn)可靠的分子傳感仍存在局限，這也限制了以生物標(biāo)志物為核心的可穿戴與植入式系統(tǒng)的發(fā)展，使其難以突破生命體征物理監(jiān)測(cè)，邁向基于化學(xué)分析的連續(xù)健康監(jiān)測(cè)。

2026年5月28日，北京大學(xué)深圳研究生院助理教授徐亞東、美國加州理工學(xué)院馬笑天、范可馨等人介紹了一種用于彈性電化學(xué)傳感（SIRES）的內(nèi)在可拉伸界面。該界面由應(yīng)變彈性導(dǎo)體，電可調(diào)夾層，和可拉伸的功能性涂層。通過抵消應(yīng)變引起的電阻隨著活性表面積的增加而增加，SIRES在高達(dá)300%的應(yīng)變下保持接近恒定的電阻和高保真的電化學(xué)讀數(shù)。

該平臺(tái)支持伏安法，電位法，和安培模式，并使多路分子監(jiān)測(cè)在動(dòng)態(tài)變形的組織在可穿戴和植入的格式。其統(tǒng)一的架構(gòu)提供了抗分層接口適合長期使用，和設(shè)計(jì)規(guī)則推廣到基于親和力的轉(zhuǎn)導(dǎo)，建立了一條通往應(yīng)變彈性分子傳感的途徑，用于精確診斷和治療。

對(duì)于柔軟、可拉伸的生物電子學(xué)而言，在運(yùn)動(dòng)組織上實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定的分子讀數(shù)極具挑戰(zhàn)?，F(xiàn)有器件平臺(tái)往往依賴不可拉伸的基底或脆性導(dǎo)體，在形變下會(huì)出現(xiàn)開裂、分層，喪失電學(xué)與電化學(xué)完整性。形變還會(huì)干擾電極形貌、電化學(xué)活性面積和離子傳輸，功能涂層則可能發(fā)生斷裂或脫落，最終共同導(dǎo)致信號(hào)波形畸變、檢測(cè)保真度下降。

動(dòng)態(tài)軟組織上的應(yīng)變彈性電化學(xué)傳感。固有可拉伸的SIRES傳感器貼片符合變形器官表面，并在軟組織運(yùn)動(dòng)期間保持穩(wěn)定的電化學(xué)讀數(shù)。雖然變形通常會(huì)通過改變電路電阻和界面電化學(xué)來扭曲信號(hào)，但SIRES在應(yīng)變下保持電化學(xué)信號(hào)保真度，從而在運(yùn)動(dòng)組織上實(shí)現(xiàn)可靠的分子傳感。

作者認(rèn)為，抗形變電化學(xué)傳感需要采用材料與電路耦合策略，在形變過程中同時(shí)保障電荷傳輸與電化學(xué)界面穩(wěn)定性。

據(jù)此，團(tuán)隊(duì)設(shè)計(jì)了一款全彈性、本征可拉伸的三層結(jié)構(gòu)界面，通過電化學(xué)活性面積的提升抵消形變引發(fā)的電阻升高，從而維持總電阻近乎恒定，保障信號(hào)保真度。

研究結(jié)果（RESULTS）

一種抗形變、本征可拉伸的電化學(xué)傳感界面（SIRES），由三層彈性材料構(gòu)成：

（1）相分離液態(tài)金屬導(dǎo)體，保障電荷穩(wěn)定傳輸；

（2）電學(xué)可調(diào)的碳納米管 - 聚氨酯中間層，調(diào)控機(jī)電耦合特性；

（3）可拉伸功能涂層，穩(wěn)定生物活性傳感單元。

Fig. 1. Schematic, structural design, and working principle of intrinsically stretchable SIRES.

圖1.固有可拉伸SIRES的原理圖、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和工作原理。

有限元分析與實(shí)驗(yàn)測(cè)試表明，拉伸會(huì)小幅提升活性表面積、降低界面阻抗、升高電路電阻，這與改進(jìn)的 Randles 模型預(yù)測(cè)一致。

研究構(gòu)建的界面在高達(dá) 300% 的拉伸形變下，仍能保持伏安、電位、安培檢測(cè)信號(hào)的穩(wěn)定。所有功能層通過共價(jià)鍵整合為統(tǒng)一的彈性結(jié)構(gòu)，抗分層、抗開裂，在循環(huán)拉伸中持續(xù)穩(wěn)定工作。

Fig. 3. Characterizations of SIRES-based stretchable electrochemical electrodes.

圖3.基于SIRES的可拉伸電化學(xué)電極的表征。

團(tuán)隊(duì)驗(yàn)證了該器件的普適性，集成了伏安型（尿酸）、安培型（葡萄糖、乳酸、過氧化氫）和電位型（pH）傳感器，搭配可拉伸對(duì)電極與參比電極，所有組件在大幅形變下均保持性能穩(wěn)定。

基于這些組件，研究搭建了全可拉伸的多路復(fù)用可穿戴系統(tǒng)，用于抗形變汗液監(jiān)測(cè)，可在運(yùn)動(dòng)過程中對(duì)人體多部位進(jìn)行實(shí)時(shí)生化分析。

Fig. 4. Stretchable SIRES-based electrochemical bioelectronics for wearable sensing.

圖4.用于可穿戴傳感的基于SIRES的可拉伸電化學(xué)生物電子學(xué)。

將該技術(shù)應(yīng)用于器官界面場景時(shí)，器件能在器官動(dòng)態(tài)運(yùn)動(dòng)中保持共形接觸與穩(wěn)定讀數(shù)，成功在動(dòng)態(tài)形變組織和疾病相關(guān)的活體檢測(cè)中得到驗(yàn)證。

Fig. 5. In vivo evaluation of SIRES-based electrochemical bioelectronics for implantable sensing.

圖5.用于可植入傳感的基于SIRES的電化學(xué)生物電子學(xué)的體內(nèi)評(píng)估。

總之，本研究建立了一套適用于抗形變電化學(xué)傳感的通用材料-電路設(shè)計(jì)策略。

共價(jià)鍵整合的全彈性結(jié)構(gòu)可適配動(dòng)態(tài)組織，并且底層設(shè)計(jì)原理可拓展到親和型傳感模式與閉環(huán)生物電子系統(tǒng)，為可穿戴、植入式精準(zhǔn)診斷與治療提供了抗形變化學(xué)監(jiān)測(cè)的全新路徑。

來源：生物傳感器