本文主要聚焦于課題組在2024年度關(guān)于智能可穿戴生物傳感器和生物醫(yī)藥方面的研究成果進行介紹。該系列成果受到國家自然科學基金、裝備教育聯(lián)合基金、深圳市重點實驗室、深圳大學2035追求卓越研究計劃和深圳大學合成生物學研究中心研究基金等項目資助。
1. 高效單向藥物輸送和傷口護理的水凝膠功能化繃帶
報道了一種具有Janus潤濕性的雙層結(jié)構(gòu)的水凝膠功能化繃帶，可實現(xiàn)單向藥物輸送和多功能傷口護理。Janus圖案繃帶上層具有多孔梯度潤濕通道，負責藥物從外部到創(chuàng)面床的單向轉(zhuǎn)運（藥物轉(zhuǎn)運效率高達90%），同時防止藥物向不需要的方向擴散（<8%）。底層由殼聚糖季銨鹽（HACC）、聚乙烯醇（PVA）和聚丙烯酸（PAA）組成的水凝膠使其具有生物相容性、優(yōu)異的抗菌性能和止血能力，促進傷口愈合。特別是，具有Janus潤濕性的水凝膠功能化繃帶表現(xiàn)出優(yōu)異的機械柔韌性（~198％應(yīng)變），可以很好地適應(yīng)皮膚變形（拉伸、彎曲或扭曲）并保持單向藥物輸送行為而不會發(fā)生任何泄漏。體內(nèi)全層皮膚傷口模型證實，水凝膠功能化繃帶可顯著促進上皮化和膠原沉積，提高藥物遞送效率，從而促進傷口閉合和愈合（第15天傷口愈合率為98.10%）。該論文發(fā)表在自然指數(shù)期刊ACS Nano上，深圳大學為唯一完成單位。
圖1.水凝膠功能化繃帶制備及其機理
原文鏈接：https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acsnano.3c10766
2. 支持傷口pH值視覺監(jiān)測的自消毒微針傳感貼片
提出了能夠抑制傷口感染并跟蹤傷口愈合狀態(tài)的智能微針傳感?；诮饘儆袡C框架（MOF）水凝膠的微針尖端可以快速自我消毒并促進傷口愈合。微針貼片的基底基于pH敏感熒光試劑，可以與智能手機集成以可視化圖像。此外，通過應(yīng)用機器學習算法可以進一步可靠地評估傷口pH值。多功能微針傳感貼片建立了治療與傳感相結(jié)合的策略來解決延遲傷口管理問題，促進了MOF水凝膠的設(shè)計和優(yōu)化，為疾病診斷和個性化健康管理提供了簡便的方法。該論文發(fā)表在自然指數(shù)期刊Advanced Functional Materials上，深圳大學為唯一完成單位。
圖2.自消毒微針傳感貼片機理
原文鏈接：https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adfm.202315067
3. 超低檢測限制和自適應(yīng)可切換的可穿戴壓力傳感器
提出了一種基于多尺度異質(zhì)性（微/納米級異質(zhì)結(jié)構(gòu)和宏觀異質(zhì)細胞骨架）的壓阻接口，可以動態(tài)適應(yīng)特定的壓力傳感要求。多刺Ag-MnO2壓阻微粒中的微納米級異質(zhì)結(jié)構(gòu)能夠?qū)崿F(xiàn)較低的檢測限制（0.008 Pa），并在高預載下高分辨率（0.0083%）的感知較小的壓力增量。此外，具有異質(zhì)取向的細胞骨架能夠?qū)崿F(xiàn)各向異性變形，即在低壓下快速變形和在高壓下逐步釋放。與具有同質(zhì)或單尺度異質(zhì)接口的傳感器相比，這種異質(zhì)方向的設(shè)計提供了可切換的靈敏度和工作范圍，能夠區(qū)分復雜的壓力源。該論文發(fā)表在自然指數(shù)期刊ACS Nano上，深圳大學為第一完成單位。
圖3.基于多尺度異質(zhì)性的壓阻界面的設(shè)計
原文鏈接：https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acsnano.3c12513
4. 可穿戴比色面罩用于呼吸氨檢測
提出了一種穿戴舒適的Janus比色面罩（JCFM），通過結(jié)合機器學習K-近鄰（K-NN）算法來評估呼吸氨水平。潤濕性差異的Janus面料能使得呼出的濕氣單向滲透，保證面部皮膚干爽舒適。比色陣列上的四種不同的pH指示劑作為與氨發(fā)生交叉反應(yīng)的識別元件，通過模仿哺乳動物復雜的嗅覺結(jié)構(gòu)來捕獲呼吸氨的光學指紋信息。歐氏距離（ED）用于定量描述1 ppm至10 ppm之間的氨濃度，表明氨濃度與ED響應(yīng)之間存在線性關(guān)系（R2=0.988），檢測限可達0.62 ppm。基于RGB響應(yīng)特征的K-NN算法輔助分析目標氨水平，預測準確率達到96%。該論文發(fā)表在自然指數(shù)期刊Analytical Chemistry上，深圳大學為第一完成單位。
圖4.可穿戴比色面罩用于呼吸氨檢測示意圖
原文鏈接：https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acs.analchem.3c04383
5. 機器學習結(jié)合可穿戴設(shè)備，用于精準汗液監(jiān)測和相關(guān)疾病預測
報道了一種包含監(jiān)測模塊、信號處理和無線通信的微系統(tǒng)，通過機器學習該便攜式平臺實現(xiàn)了混合條件的快速準確分類，以及在對DPV信息進行全面分析后對Tyr、Trp和pH值進行定量檢測。通過監(jiān)測兩周內(nèi)氨基酸補充劑攝入與否患者的汗液中氨基酸和pH值，我們發(fā)現(xiàn)汗液Tyr和Trp濃度之間存在很強的相關(guān)性，準確率達到99.3%。這種可穿戴傳感器可以個性化監(jiān)測汗液氨基酸和pH值，這對于運動-健康的指導至關(guān)重要。該論文發(fā)表在中科院一區(qū)期刊Biosensors and Bioelectronics上，深圳大學為唯一完成單位。
圖5.機器學習驅(qū)動的可穿戴傳感器用于區(qū)分汗液成分和預測疾病的示意圖
原文鏈接：https://doi.org/10.1016/j.bios.2024.116712
6. 用于多種健康生物標志物監(jiān)測的可穿戴全集成微針陣列生物傳感器
報道了一種全集成的微針陣列的小型化可穿戴生物傳感器，可同時和持續(xù)地在體育鍛煉期間監(jiān)測與健康相關(guān)的生物標志物（例如葡萄糖、乳酸和酒精）。傳感器由鉑層、導電聚合物層、用于監(jiān)測目標生物標志物的氧化酶層和功能化的Nafion保護層構(gòu)成，其微針陣列已被證明具有優(yōu)異生物相容性，可無痛地穿透角質(zhì)層并進入間質(zhì)液進行監(jiān)測和分析，且具有高度靈敏性。該傳感器經(jīng)過反復對多個受試者的健身相關(guān)生物標志物進行長時間監(jiān)測，發(fā)現(xiàn)結(jié)果顯示與商業(yè)設(shè)備具有顯著的相關(guān)性。此外，數(shù)據(jù)通過藍牙傳輸?shù)街悄苁謾C，并上傳到云平臺可以進行進一步的健康評估。該研究對促進運動健康領(lǐng)域的智能可穿戴設(shè)備開發(fā)具有顯著的推動作用。該論文發(fā)表在中科院一區(qū)期刊Biosensors and Bioelectronics上，深圳大學為唯一完成單位。
圖6.基于多路復用微針的可穿戴傳感器系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和及其原理
原文鏈接：https://doi.org/10.1016/j.bios.2024.116697
7. 連續(xù)聲動力治療的全集成適形可穿戴超聲系統(tǒng)
報道了一種可實現(xiàn)連續(xù)聲動力學治療的穿戴生物電子系統(tǒng)，該系統(tǒng)將超聲陣列貼片和由小而精巧的超聲驅(qū)動電路板以及交互軟件組成，可直接連續(xù)地在皮膚表面使用。柔性壓電陶瓷陣列產(chǎn)生的超聲具有順應(yīng)性和靈活性，可以聚焦在皮膚下一定深度病灶部位，具有優(yōu)異的ROS生成促進能力，最終可誘導癌癥細胞死亡和腫瘤組織消融，實現(xiàn)連續(xù)的抗腫瘤治療。該系統(tǒng)支持對超聲貼片進行動態(tài)控制，并允許實時調(diào)整以優(yōu)化其在各種應(yīng)用中的性能，例如可通過貼片的形變實現(xiàn)超聲聚焦空間可調(diào)性，例如超聲聚焦的深度和范圍，從而為醫(yī)療保健技術(shù)提供更大的靈活性和精度。該一體化可穿戴超聲貼片系統(tǒng)克服了現(xiàn)有超聲設(shè)備的局限性，包括外形笨重、價格昂貴和操作繁雜，能夠精確調(diào)節(jié)超聲病灶深度和范圍，根據(jù)不同患者的個體需求提供量身定制的治療，在聲動力治療領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用潛力。該論文發(fā)表在自然指數(shù)期刊Advances Materials上，深圳大學為唯一完成單位。
圖7.可連續(xù)聲動力治療的全集成適形可穿戴超聲系統(tǒng)及抗腫瘤治療示意圖
原文鏈接：https://doi.org/10.1002/adma.202409528
8. 無線實時細胞監(jiān)測的集成Mini-Pillar平臺
報道了一個集成的微型柱平臺，用于原位監(jiān)測多個細胞代謝過程，通過陣列式微型柱芯片實現(xiàn)培養(yǎng)基錨定和細胞培養(yǎng)。該平臺集成了表面功能化微電極生物傳感器，以構(gòu)建一個集成的微型柱生物傳感平臺，能夠?qū)崟r、原位監(jiān)測各種細胞的細胞生長過程。陣列式微型柱芯片可實現(xiàn)培養(yǎng)基和細胞陣列培養(yǎng)的親水錨定。用聚苯胺（PANI）和樹枝狀金功能化的微電極生物傳感器表現(xiàn)出優(yōu)異的線性度（R2= 0.999）和高pH靈敏度（63.55 mV/pH），pH范圍為6.0至8.0。卓越的生物傳感性能使其具有廣泛的適用性，有助于通過微型柱生物傳感平臺實時監(jiān)測藥物刺激誘導細胞培養(yǎng)基的pH值變化。長期原位監(jiān)測還有助于3D細胞球體的輔助培養(yǎng)。這種簡單、pH敏感且生物相容的細胞培養(yǎng)生物傳感平臺提供了一種監(jiān)測細胞代謝的新方法，有望成為原位細胞培養(yǎng)的強大工具。該論文發(fā)表在中科院與Science集團合作的一區(qū)期刊Research上，深圳大學為唯一完成單位。
圖8.用于原位監(jiān)測細胞代謝過程的集成微型柱生物傳感平臺示意圖
原文鏈接：https://spj.science.org/doi/10.34133/research.0422
9. 極端水凝膠生物電子學
綜述了能夠在極端條件下工作的水凝膠，重點介紹了它們在生物電子系統(tǒng)中的應(yīng)用，以及可以賦予水凝膠上述極端性能的材料開發(fā)和結(jié)構(gòu)設(shè)計等策略?？偨Y(jié)了當前構(gòu)建用于生物電子應(yīng)用的極端水凝膠的策略，包括抗機械損傷、抗脫落、抗溶脹、抗凍結(jié)和抗FBR水凝膠。在每種情況下，我們都指定了極端條件如何損害水凝膠的結(jié)構(gòu)或功能，以及不同的策略如何幫助減輕劣化。接下來描述了這些極端水凝膠實現(xiàn)的潛在生物電子應(yīng)用。最后，討論了開發(fā)極端水凝膠生物電子設(shè)備和系統(tǒng)的當前挑戰(zhàn)和新機遇。該論文發(fā)表在自然指數(shù)期刊Advanced Functional Materials上，深圳大學為第二完成單位。
圖9.極端水凝膠生物電子學，包括抗機械損傷，抗腫脹，防凍等水凝膠生物電子學
原文鏈接：https://doi.org/10.1002/adfm.202405896
10.實時生酮飲食管理的可穿戴垂直石墨烯微針生物傳感器
提出了一種用于實時監(jiān)測酮和葡萄糖的可穿戴微針生物傳感器。該微針陣列具有優(yōu)異的機械性能，可以對間質(zhì)生物標志物進行一致的采樣，同時減少與皮膚穿刺相關(guān)的疼痛。具有出色導電性的垂直石墨烯為所得傳感器提供了234.18μa mM-1cm-2的高靈敏度和1.21μM的低限檢測。在志愿者使用過程中，全集成的生物傳感器顯示出了強大的動態(tài)代謝物水平跟蹤性能和分析能力。此外，體內(nèi)評估的結(jié)果與商業(yè)血液測量結(jié)果具有顯著的相關(guān)性?？傮w而言，這種經(jīng)濟高效的全集成的生物傳感裝置可以加速生酮飲食在個人營養(yǎng)和健康管理以及在肥胖、癲癇、糖尿病和阿爾茨海默病等疾病治療中的應(yīng)用。該論文發(fā)表在自然指數(shù)期刊Analytical Chemistry上，深圳大學為唯一完成單位。
圖10.實時生酮飲食管理的可穿戴微針生物傳感器的示意圖和圖像
原文鏈接：https://pubs.acs.org/doi/full/10.1021/acs.analchem.4c00960
11.生物化學傳感器中人工智能算法
這篇綜述深入探討了將AI算法（包括分類、回歸和聚類技術(shù)）集成到各種生化傳感器中的最新進展。討論涵蓋了AI技術(shù)的代表性類型和功能，特別強調(diào)了它們在電化學、電化學發(fā)光、熒光、比色法和拉曼光譜學中的應(yīng)用。為了激勵其他研究人員使用AI技術(shù)合理有效地解決問題，我們精心概述了AI在各種上下文中的具體實現(xiàn)，包括輔助診斷、精確分析、性能增強和系統(tǒng)優(yōu)化。通過詳細探索人工智能如何在這些生化傳感領(lǐng)域中發(fā)揮作用，闡明了應(yīng)用的廣度以及對傳感技術(shù)的準確性和效率的潛在影響。最終，我們闡明了與生化傳感器和AI融合相關(guān)的挑戰(zhàn)和機遇。它不僅突出了商業(yè)化的光明前景，還解決了成功整合這些技術(shù)需要克服的障礙。該論文發(fā)表在中科院一區(qū)期刊Trac-Trends in Analytical Chemistry上，深圳大學為唯一完成單位。
圖11. AI算法出于各種目的和功能處理生化傳感器數(shù)據(jù)
原文鏈接：https://doi.org/10.1016/j.trac.2024.117613
