氫鍵有機(jī)框架（HOFs）作為一種新興的材料，因其固有的孔隙結(jié)構(gòu)、優(yōu)異的生物相容性和可調(diào)節(jié)的催化能力，被認(rèn)為是構(gòu)建高靈敏度生物傳感器的理想平臺。然而，傳統(tǒng)的HOFs顆粒通常較為脆弱，難以與柔軟的皮膚表面兼容，導(dǎo)致其在可穿戴設(shè)備中的應(yīng)用受到限制。在這里，上海大學(xué)楊雪等人開提出了一種創(chuàng)新的解決方案：將HOFs薄膜與波浪結(jié)構(gòu)的柔性生物電極相結(jié)合。這種設(shè)計(jì)不僅保留了HOFs的高靈敏度和催化性能，還通過波浪結(jié)構(gòu)增強(qiáng)了材料的柔韌性和機(jī)械穩(wěn)定性，使其能夠適應(yīng)人體皮膚的彎曲和拉伸。該可穿戴生物傳感器具有超靈敏的檢測能，可準(zhǔn)確測量汗液中的營養(yǎng)成分，同時符合彎曲的皮膚表面。更引人注目的是 HOFs薄膜可以通過簡單的溶劑沖洗過程再生，使其能重復(fù)使用，并且比傳統(tǒng)的傳感材料具有顯著的優(yōu)勢。這項(xiàng)工作有可能激發(fā)電子設(shè)備的發(fā)展，利用HOFs的結(jié)構(gòu)適應(yīng)性和多樣性，可實(shí)現(xiàn)個性化醫(yī)療保健應(yīng)用和實(shí)時的健康監(jiān)測。該研究以題為“Hydrogen-Bonded Organic Framework Films Integrated with Wavy Structured Design for Wearable Bioelectronics”的論文發(fā)表在《Small》上。

圖1展示了基于PFC-1薄膜的可穿戴式汗液傳感器制備和表征。研究團(tuán)隊(duì)采用界面輔助法在水表面合成了PFC-1薄膜，并將其轉(zhuǎn)移到預(yù)拉伸的金/聚二甲基硅氧烷（Au/PDMS）波浪電極上。通過這種預(yù)拉伸沉積方法，電極在釋放拉伸后形成了波浪結(jié)構(gòu)，從而實(shí)現(xiàn)了HOFs薄膜與柔性電極的高效集成，突出了它們在電化學(xué)生物傳感應(yīng)用中的潛力。同時，PXRD譜圖與模擬XRD譜圖一致進(jìn)一步證實(shí)了結(jié)晶化HOFs薄膜的成功制備。 圖1.基于PFC-1薄膜的可穿戴式汗液傳感器制備和表征 圖2探討了基于PFC-1薄膜的可穿戴式汗液傳感器基的電化學(xué)性能。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，這種基于HOFs薄膜的傳感器在檢測汗液中的抗壞血酸（維生素C）時表現(xiàn)出極高的靈敏度和優(yōu)異的選擇性，檢測限低至49.64 nM，以及不會被汗液中其他與健康相關(guān)的生物標(biāo)志物所干擾。此外，該傳感器在復(fù)雜的環(huán)境條件下（如不同pH值）仍能保持穩(wěn)定的性能，展示了其在實(shí)時健康監(jiān)測中的巨大潛力。同時，該傳感器的長期穩(wěn)定性也得到了驗(yàn)證，連續(xù)13天以上的檢測結(jié)果顯示其具有出色的耐久性。 圖2.基于PFC-1薄膜的可穿戴式汗液傳感器的電化學(xué)性能 圖3研究了基于PFC-1薄膜的可穿戴式汗液傳感器的機(jī)械穩(wěn)定性與再生能力。研究結(jié)果顯示，該傳感器在50%的拉伸應(yīng)變下仍能保持穩(wěn)定的電化學(xué)傳感性能，即使在極端機(jī)械應(yīng)力下，如經(jīng)過多次彎曲和拉伸后，其電流響應(yīng)幾乎沒有變化，證明了其在動態(tài)機(jī)械條件下的可靠性和耐久性。此外，HOFs薄膜具有出色的再生能力，通過簡的單的溶劑沖洗過程，受損的薄膜可以重新生成，并用于制造新的傳感器，再生后的薄膜在電化學(xué)傳感測試中表現(xiàn)出與初始薄膜相似的性能，展示了其優(yōu)異的可回收性和可持續(xù)性，大大提高了材料的可持續(xù)性和成本效益。 圖3.基于PFC-1薄膜的可穿戴式汗液傳感器基的機(jī)械耐久性表征 圖4展示了基于HOFs的可穿戴汗液和血清維生素C分析傳感器的生物安全性測試和演示。該圖展示了HOFs傳感器與人臍靜脈內(nèi)皮細(xì)胞（HUVECs）共培養(yǎng)48小時后的細(xì)胞存活率。結(jié)果顯示，超過98.54%的細(xì)胞在24小時后仍保持存活，48小時后存活率為91.81%，證明了PFC-1薄膜的優(yōu)異生物相容性，適合長期與生物組織接觸的應(yīng)用。此外，還展示了HOFs傳感器在志愿者手臂上的實(shí)際應(yīng)用。傳感器能夠牢固地附著在皮膚上，即使在劇烈運(yùn)動后仍保持功能。傳感器檢測到的AA濃度與高效液相色譜（HPLC）的結(jié)果一致，驗(yàn)證了其在實(shí)時汗液分析中的準(zhǔn)確性和可靠性。此外，還發(fā)現(xiàn)了該傳感器在監(jiān)測血清中維生素C水平方面的有效性，突顯了其在健康和營養(yǎng)監(jiān)測中更廣泛應(yīng)用的潛力。這些功能對于個性化醫(yī)療保健、飲食管理和預(yù)防營養(yǎng)相關(guān)缺陷和疾病特別有價值。 圖4. 基于HOFs的可穿戴汗液和血清維生素C分析傳感器的生物安全性測試和演示 結(jié)論 這項(xiàng)研究展示了HOFs薄膜在可穿戴生物電子設(shè)備中的巨大潛力，將HOFs薄膜與波浪形生物電極集成，成功開發(fā)了一種可穿戴的汗液傳感器，實(shí)現(xiàn)了對人體汗液中營養(yǎng)生物標(biāo)志物的實(shí)時、無創(chuàng)監(jiān)測。通過創(chuàng)新的波浪結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，研究團(tuán)隊(duì)成功解決了傳統(tǒng)HOFs材料與人體皮膚機(jī)械性能不匹配的問題，實(shí)現(xiàn)了高靈敏度、高柔韌性和高穩(wěn)定性的完美結(jié)合。這項(xiàng)工作為將HOFs作為有源層集成到可穿戴電子設(shè)備中開辟了新的途徑，為健康監(jiān)測和個性化健康管理的先進(jìn)應(yīng)用鋪平了道路。未來，隨著HOFs材料的進(jìn)一步優(yōu)化和應(yīng)用拓展，可穿戴生物傳感器將在個性化健康管理、慢性病監(jiān)測和運(yùn)動健身等領(lǐng)域發(fā)揮越來越重要的作用。 原文鏈接：https://doi.org/10.1002/smll.202409587 審核編輯 黃宇