Science & Nature Materials｜智能手环即将被淘汰？这块能拉伸900%的“活体胶带”，或为慢病长期诊疗开辟新路径

如今，智能手环、运动腕表等可穿戴设备早已成为大众日常健康管理、运动监测的标配，微创植入式医疗器械也成为临床诊疗的重要发展方向，智慧医疗、慢病居家管理、肿瘤早筛更是当下全民热议的健康热点。

但传统生物传感器长期存在一大致命缺陷：人体皮肤拉伸、心脏搏动、肠胃蠕动、内脏扩张等动态形变，会让硬质电极开裂、层间脱落，进而导致电信号与生化检测信号严重失真。这不仅让主流可穿戴设备止步于心率、步数等基础物理监测，无法实现汗液、组织液的生化精准分析，也限制了植入式设备在动态内脏表面的长期稳定使用。

针对这一行业痛点，加州理工学院 Wei Gao 教授团队接连取得两项突破性进展，相关成果分别刊发于《Science》与《Nature Materials》。两款互补的柔性可拉伸生物电子器件，分别解决了动态组织传感、湿器官粘附与一体化诊疗难题，推动生物电子技术从单一数据监测，迈向 “实时监测+自适应治疗” 的全新阶段。

第一项核心成果为可拉伸弹性电化学传感界面（stretchable interface for resilient electrochemical sensing, SIRES），它从材料结构层面破解了形变引发信号失效的行业难题。传统生物传感电极多采用金、普通碳纳米管等脆性材料，即便轻微拉伸也会出现结构破损，造成电路电阻波动、电化学活性面积改变，最终导致检测基线偏移，无法精准捕捉尿酸、葡萄糖等疾病相关生物分子。

SIRES 采用全聚氨酯弹性体打造三层一体化结构，依次为应变耐受导体（SRC）、电可调碳纳米管-聚氨酯中间层（ETI）、可拉伸功能涂层（SFC），各层依靠共价键紧密结合，具备极强的抗开裂、抗分层能力。团队选用共晶镓铟（EGaIn）液态金属作为导电基底，液态金属天然的柔性导电特性，能保障形变过程中电荷持续稳定传输。核心的碳纳米管复合中间层则利用巧妙的物理平衡效应：器件被拉伸时电路电阻会小幅上升，但电极的电化学活性表面积同步增大，两种变化相互抵消，让器件整体总电阻基本保持恒定。

实测数据显示，SIRES 可承受300% 的极限拉伸应变，历经 1000 次循环拉伸后，检测信号仅出现微弱衰减，稳定性表现优异。功能上，SIRES 兼容伏安法、安培法、电位法三大主流电化学检测模式，可同步检测尿酸、葡萄糖、乳酸、H₂O₂、pH 等多种核心生化标志物。

在大众关注的运动健康场景中，研究人员将 SIRES 集成于透气吸汗运动带，志愿者在骑行、跑步、划船、椭圆机等各类运动中，将设备佩戴在额头、手腕等部位，无需额外粘贴医用胶即可贴合皮肤，实时分析汗液成分，实现运动状态下的精细化健康监测。

在植入式动物实验中，SIRES 成功适配心脏、胃、肠道、膀胱等大幅形变的内脏，还落地于多个前沿疾病监测场景：完成糖尿病大鼠感染伤口的动态追踪、炎症性肠病模型的肠道乳酸检测，以及膀胱癌病灶周边H₂O₂原位筛查，为慢性炎症、肿瘤的早期诊断提供了新方案。体外细胞实验与长期植入测试也证实，SIRES 生物相容性良好，无明显细胞毒性，植入后诱发的组织炎症反应极弱。

SIRES 解决了动态组织的精准传感问题，但植入式设备还面临湿滑器官粘附难、依赖手术缝合、仅监测不治疗等现实短板。

为此，团队推出第二款多功能平台ElHyX（弹性体 - 水凝胶双相生物电子平台），相关研究发表在《Nature Materials》上，该器件聚焦植入式场景，主打湿组织强粘附、超大拉伸性能与闭环诊疗，与 SIRES 形成技术互补。

ElHyX 采用弹性体与离子交联水凝胶分子键合的双相结构，橡胶基弹性体赋予器件超高拉伸能力，改性水凝胶则依靠高密度氢键牢牢贴合潮湿的内脏表面，全程无需手术缝合，避免缝合带来的组织损伤。同时这种粘附具备可逆特性，医护人员可借助尿素溶液削弱氢键、按需剥离器件，大幅降低二次手术风险。

该平台同样搭载 EGaIn 液态金属作为导电填料，极限拉伸能力可达900%，即便经历超大形变，电阻变化也仅约 15%，千次循环拉伸后导电性能依旧稳定，综合表现远超银纳米线等传统固态导电材料。

在制备工艺上，ElHyX 依托直写成型（DIW）3D 打印技术制造，可根据不同器官、不同诊疗需求定制形态，支持低成本规模化量产。研究人员通过掺杂普鲁士蓝、聚苯胺、碳纳米管等功能材料，让 ElHyX 具备全面的电化学检测能力，即便在 100% 拉伸状态下，对葡萄糖、H₂O₂、尿酸、pH 的检测信号也不会发生畸变。

ElHyX 最具价值的突破是实现了植入式闭环诊疗，这也是当下慢病管理领域的核心探索方向。研究团队以高发慢性病糖尿病为研究模型，将心电（ECG）传感、葡萄糖生化传感、神经刺激三大模块集成在 ElHyX 上，打造出一体化闭环诊疗系统。

在糖尿病大鼠实验中，植入体内的 ElHyX 会同步监测血糖浓度与心率，一旦识别出血糖异常升高，系统将自动启动选择性传出迷走神经刺激（eVNS），通过靶向调控神经促进胰岛素分泌，快速将血糖回落至健康区间。对比实验证明，该靶向刺激方式的治疗效果优于传统双侧迷走神经刺激，且连续多日重复测试后系统性能始终稳定。

除糖尿病管理外，ElHyX 还可制作成柔性神经袖套包裹坐骨神经实现神经调控，也能长期贴附心脏完成心电监测，应用场景十分丰富。为验证长期植入安全性，团队开展了为期 28 天的大鼠植入实验，病理结果显示，器件周边组织的淋巴细胞（CD3）、巨噬细胞（CD68）等炎症标志物表达极低，心、肝、脾、肺、肾等主要器官均无病理损伤，充分证明其适用于长期体内植入。

综合来看，Wei Gao 团队的两项成果构建起“体表可穿戴监测+体内植入式诊疗”的全链条柔性生物电子体系，补齐了当前智慧医疗的诸多短板。如今市面上的主流可穿戴设备大多局限于物理体征监测，而 SIRES 让运动健康、术后恢复、日常体检的汗液生化监测成为现实。针对植入式器械，ElHyX 攻克了湿组织粘附、微创植入、监测治疗一体化等难题，为糖尿病、慢性炎症等慢病的长期诊疗开辟了新路径。

目前，研究团队正持续优化 ElHyX 的长期植入稳定性，目标实现器件在体内数年稳定工作，同时积极拓展应用方向，探索其在慢性疼痛、情绪焦虑干预等领域的潜力。长远而言，这类柔性可拉伸生物电子技术打破了传统医疗设备刚性、功能单一的局限，推动智慧医疗向个性化、实时化、自动化发展，未来有望全面融入大众健康管理与临床精准诊疗，彻底革新现有的医疗健康体系。

参考文献：

Yadong Xu et al, Strain-resilient intrinsically stretchable electrochemical biointerfaces, Science (2026). DOI: 10.1126/science.aed1630.

Jiahong Li et al, Strain-insensitive wet-tissue-adhesive biphasic bioelectronics for physicochemical monitoring and adaptive therapy, Nature Materials (2026). DOI: 10.1038/s41563-026-02624-4.

来源 | 生物谷

编辑 | VOX