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(jìn)行介紹。該系列成果受到國(guó)家自然科學(xué)基金、裝備教育聯(lián)合基金、深圳市重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室、深圳大學(xué)2035追求卓越研究計(jì)劃和深圳大學(xué)合成生物學(xué)研究中心研究基金等項(xiàng)目資助。
1. 高效單向藥物輸送和傷口護(hù)理的水凝膠功能化繃帶
報(bào)道了一種具有Janus潤(rùn)濕性的雙層結(jié)構(gòu)的水凝膠功能化繃帶，可實(shí)現(xiàn)單向藥物輸送和多功能傷口護(hù)理。Janus圖案繃帶上層具有多孔梯度潤(rùn)濕通道，負(fù)責(zé)藥物從外部到創(chuàng)面床的單向轉(zhuǎn)運(yùn)（藥物轉(zhuǎn)運(yùn)效率高達(dá)90%），同時(shí)防止藥物向不需要的方向擴(kuò)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(jìn)傷口愈合。特別是，具有Janus潤(rùn)濕性的水凝膠功能化繃帶表現(xiàn)出優(yōu)異的機(jī)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(huì)發(fā)生任何泄漏。體內(nèi)全層皮膚傷口模型證實(shí)，水凝膠功能化繃帶可顯著促進(jìn)上皮化和膠原沉積，提高藥物遞送效率，從而促進(jìn)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(xué)為唯一完成單位。
圖1.水凝膠功能化繃帶制備及其機(jī)理
原文鏈接：https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acsnano.3c10766
2. 支持傷口pH值視覺(jué)監(jiān)測(cè)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(jī)框架（MOF）水凝膠的微針尖端可以快速自我消毒并促進(jìn)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(jī)集成以可視化圖像。此外，通過(guò)應(yīng)用機(jī)器學(xué)習(xí)算法可以進(jìn)一步可靠地評(píng)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(lái)解決延遲傷口管理問(wèn)題，促進(jìn)了MOF水凝膠的設(shè)計(jì)和優(yōu)化，為疾病診斷和個(gè)性化健康管理提供了簡(jiǎn)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(xué)為唯一完成單位。
圖2.自消毒微針傳感貼片機(jī)理
原文鏈接：https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adfm.202315067
3. 超低檢測(cè)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(jí)異質(zhì)結(jié)構(gòu)和宏觀異質(zhì)細(xì)胞骨架）的壓阻接口，可以動(dòng)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(jí)異質(zhì)結(jié)構(gòu)能夠?qū)崿F(xiàn)較低的檢測(cè)限制（0.008 Pa），并在高預(yù)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(xì)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(jì)提供了可切換的靈敏度和工作范圍，能夠區(qū)分復(fù)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(xué)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(jì)
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(cè)
提出了一種穿戴舒適的Janus比色面罩（JCFM），通過(guò)結(jié)合機(jī)器學(xué)習(xí)K-近鄰（K-NN）算法來(lái)評(píng)估呼吸氨水平。潤(rùn)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(shí)別元件，通過(guò)模仿哺乳動(dòng)物復(fù)雜的嗅覺(jué)結(jié)構(gòu)來(lái)捕獲呼吸氨的光學(xué)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(cè)限可達(dá)0.62 ppm。基于RGB響應(yīng)特征的K-NN算法輔助分析目標(biāo)氨水平，預(yù)測(cè)準(zhǔn)確率達(dá)到96%。該論文發(fā)表在自然指數(shù)期刊Analytical Chemistry上，深圳大學(xué)為第一完成單位。
圖4.可穿戴比色面罩用于呼吸氨檢測(cè)示意圖
原文鏈接：https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acs.analchem.3c04383
5. 機(jī)器學(xué)習(xí)結(jié)合可穿戴設(shè)備，用于精準(zhǔn)汗液監(jiān)測(cè)和相關(guān)疾病預(yù)測(cè)
報(bào)道了一種包含監(jiān)測(cè)模塊、信號(hào)處理和無(wú)線通信的微系統(tǒng)，通過(guò)機(jī)器學(xué)習(xí)該便攜式平臺(tái)實(shí)現(xiàn)了混合條件的快速準(zhǔn)確分類(lèi)，以及在對(duì)DPV信息進(jìn)行全面分析后對(duì)Tyr、Trp和pH值進(jìn)行定量檢測(cè)。通過(guò)監(jiān)測(cè)兩周內(nèi)氨基酸補(bǔ)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(qiáng)的相關(guān)性，準(zhǔn)確率達(dá)到99.3%。這種可穿戴傳感器可以個(gè)性化監(jiān)測(cè)汗液氨基酸和pH值，這對(duì)于運(yùn)動(dòng)-健康的指導(dǎo)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(xué)為唯一完成單位。
圖5.機(jī)器學(xué)習(xí)驅(qū)動(dòng)的可穿戴傳感器用于區(qū)分汗液成分和預(yù)測(cè)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(biāo)志物監(jiān)測(cè)的可穿戴全集成微針陣列生物傳感器
報(bào)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(shí)和持續(xù)地在體育鍛煉期間監(jiān)測(cè)與健康相關(guān)的生物標(biāo)志物（例如葡萄糖、乳酸和酒精）。傳感器由鉑層、導(dǎo)電聚合物層、用于監(jiān)測(cè)目標(biāo)生物標(biāo)志物的氧化酶層和功能化的Nafion保護(hù)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(wú)痛地穿透角質(zhì)層并進(jìn)入間質(zhì)液進(jìn)行監(jiān)測(cè)和分析，且具有高度靈敏性。該傳感器經(jīng)過(guò)反復(fù)對(duì)多個(gè)受試者的健身相關(guān)生物標(biāo)志物進(jìn)行長(zhǎng)時(shí)間監(jiān)測(cè)，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(guò)藍(lán)牙傳輸?shù)街悄苁謾C(jī)，并上傳到云平臺(tái)可以進(jìn)行進(jìn)一步的健康評(píng)估。該研究對(duì)促進(jìn)運(yùn)動(dòng)健康領(lǐng)域的智能可穿戴設(shè)備開(kāi)發(fā)具有顯著的推動(dòng)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(xué)為唯一完成單位。
圖6.基于多路復(fù)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(dòng)力治療的全集成適形可穿戴超聲系統(tǒng)
報(bào)道了一種可實(shí)現(xiàn)連續(xù)聲動(dòng)力學(xué)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(dòng)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(jìn)能力，最終可誘導(dǎo)癌癥細(xì)胞死亡和腫瘤組織消融，實(shí)現(xiàn)連續(xù)的抗腫瘤治療。該系統(tǒng)支持對(duì)超聲貼片進(jìn)行動(dòng)態(tài)控制，并允許實(shí)時(shí)調(diào)整以優(yōu)化其在各種應(yīng)用中的性能，例如可通過(guò)貼片的形變實(shí)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(jià)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(gè)體需求提供量身定制的治療，在聲動(dòng)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(xué)為唯一完成單位。
圖7.可連續(xù)聲動(dòng)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(wú)線實(shí)時(shí)細(xì)胞監(jiān)測(cè)的集成Mini-Pillar平臺(tái)
報(bào)道了一個(gè)集成的微型柱平臺(tái)，用于原位監(jiān)測(cè)多個(gè)細(xì)胞代謝過(guò)程，通過(guò)陣列式微型柱芯片實(shí)現(xiàn)培養(yǎng)基錨定和細(xì)胞培養(yǎng)。該平臺(tái)集成了表面功能化微電極生物傳感器，以構(gòu)建一個(gè)集成的微型柱生物傳感平臺(tái)，能夠?qū)崟r(shí)、原位監(jiān)測(cè)各種細(xì)胞的細(xì)胞生長(zhǎng)過(guò)程。陣列式微型柱芯片可實(shí)現(xiàn)培養(yǎng)基和細(xì)胞陣列培養(yǎng)的親水錨定。用聚苯胺（PANI）和樹(shù)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(guò)微型柱生物傳感平臺(tái)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)藥物刺激誘導(dǎo)細(xì)胞培養(yǎng)基的pH值變化。長(zhǎng)期原位監(jiān)測(cè)還有助于3D細(xì)胞球體的輔助培養(yǎng)。這種簡(jiǎn)單、pH敏感且生物相容的細(xì)胞培養(yǎng)生物傳感平臺(tái)提供了一種監(jiān)測(cè)細(xì)胞代謝的新方法，有望成為原位細(xì)胞培養(yǎng)的強(qiáng)大工具。該論文發(fā)表在中科院與Science集團(tuán)合作的一區(qū)期刊Research上，深圳大學(xué)為唯一完成單位。
圖8.用于原位監(jiān)測(cè)細(xì)胞代謝過(guò)程的集成微型柱生物傳感平臺(tái)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(xué)
綜述了能夠在極端條件下工作的水凝膠，重點(diǎn)介紹了它們?cè)谏镫娮酉到y(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(kāi)發(fā)和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)等策略。總結(jié)了當(dāng)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(jī)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(lái)描述了這些極端水凝膠實(shí)現(xiàn)的潛在生物電子應(yīng)用。最后，討論了開(kāi)發(fā)極端水凝膠生物電子設(shè)備和系統(tǒng)的當(dāng)前挑戰(zhàn)和新機(jī)遇。該論文發(fā)表在自然指數(shù)期刊Advanced Functional Materials上，深圳大學(xué)為第二完成單位。
圖9.極端水凝膠生物電子學(xué)，包括抗機(jī)械損傷，抗腫脹，防凍等水凝膠生物電子學(xué)
原文鏈接：https://doi.org/10.1002/adfm.202405896
10.實(shí)時(shí)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(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)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(jī)械性能，可以對(duì)間質(zhì)生物標(biāo)志物進(jìn)行一致的采樣，同時(shí)減少與皮膚穿刺相關(guān)的疼痛。具有出色導(dǎo)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(cè)。在志愿者使用過(guò)程中，全集成的生物傳感器顯示出了強(qiáng)大的動(dòng)態(tài)代謝物水平跟蹤性能和分析能力。此外，體內(nèi)評(píng)估的結(jié)果與商業(yè)血液測(cè)量結(jié)果具有顯著的相關(guān)性?？傮w而言，這種經(jīng)濟(jì)高效的全集成的生物傳感裝置可以加速生酮飲食在個(gè)人營(yíng)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(xué)為唯一完成單位。
圖10.實(shí)時(shí)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(xué)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(lèi)、回歸和聚類(lèi)技術(shù)）集成到各種生化傳感器中的最新進(jìn)展。討論涵蓋了AI技術(shù)的代表性類(lèi)型和功能，特別強(qiáng)調(diào)了它們?cè)陔娀瘜W(xué)、電化學(xué)發(fā)光、熒光、比色法和拉曼光譜學(xué)中的應(yīng)用。為了激勵(lì)其他研究人員使用AI技術(shù)合理有效地解決問(wèn)題，我們精心概述了AI在各種上下文中的具體實(shí)現(xiàn)，包括輔助診斷、精確分析、性能增強(qiáng)和系統(tǒng)優(yōu)化。通過(guò)詳細(xì)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(duì)傳感技術(shù)的準(zhǔn)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(jī)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(xué)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
