高伟和加州理工学院的团队开发了一种生物电子材料，称为弹性电化学传感可伸缩界面（SIRES），满足了下一代可穿戴和植入传感器的关键需求。照片显示基于SIRES的生物电子设备在拉伸（上方）和扭转（下方）下体。比例杆直径为1厘米。图片来源：高威实验室/加州理工学院

可穿戴和植入式生物传感器有潜力通过诊断、监测甚至治疗各种健康状况来彻底改变医疗体系。加州理工学院医学工程教授、Heritage医学研究所研究员高伟的实验室最新创新，通过开发软质、可拉伸、组织集成生物电子学实现连续感测和适应性治疗，推动该领域前进。

两项新研究强调了材料与技术的互补性提升，同时应对不同的挑战和应用。

可拉伸的传感器

为了实现能灵活地与身体甚至内脏器官如跳动心脏的感知，高实验室的科学家开发了一种生物电子材料，能在皮肤或组织变形时保持导电性和与皮肤或组织的强连接。这种超伸展的生物兼容界面满足了下一代可穿戴和植入传感器的关键需求。

这种新材料恰如其分地被称为弹性电化学传感（SIRES）可拉伸多达300%，而不失传输高质量电信号的能力。高和他的同事在发表在《科学》杂志上的一篇论文中描述了SIRES。

当研究人员将化学传感器连接到内脏器官时，他们试图测量能够传递健康状况的生物分子。但由于制造这些传感器所用材料，器官移动时传感器往往会失效或性能不稳定。

为此，高的团队由前博士后学者徐亚东和加州理工研究生马晓天和范克欣领导，开发了一种三组份材料，利用聚氨酯（一种弹性体，类似橡胶的固体），同时具生物相容性。

首先，研究人员没有在器件中使用标准导电线，而是采用液态金属作为导体。液态金属可以拉伸，但保持相同的电阻。因此，通过将液态金属与聚氨酯混合，科学家们创造出一种抗应变导体。

其次，他们制造了一种稳定且柔性的电极用于感测。通常，生物传感器中的电极由金等金属或碳纳米管制成，但这些电极即使稍微拉伸也可能开裂。纳米管在检测目标分子与其表面结合时的电变化方面表现优异。

高的团队将碳纳米管嵌入聚氨酯中，使纳米管能够拉伸且保持相互连接。

当纳米管的集合体拉长时，单个纳米管之间的部分连接断裂，导致电导率降低。但由于电极的总表面积也会随着拉伸而增加，传感器处可以交换更多分子，从而抵消了减少的趋势。

“如果你正确调节碳纳米管的水平，这两种效应会平衡，从而获得稳定的响应，”高说，他同时也是罗纳德和乔安妮·威伦斯学者。“所以即使是像跳动的心脏这样变形严重的器官，你的传感器表现也不会改变。”

SIRES的第三个组成部分是一种可拉伸的功能性聚氨酯涂层，使研究人员能够嵌入任何用于化学感测的酶。

“导体、电极和功能薄膜都是由聚氨酯嵌入不同材料制成的。这意味着整个结构非常有弹性，也具有生物相容性，“高说。

团队用团队的汗液传感器测试了SIRES，显示即使在剧烈运动下，传感器的性能依然稳定。他们还成功地在动物模型中的植入式传感器中测试了该材料，传感器覆盖膀胱、心脏、胃和肠道等器官——这些器官在正常功能时都会显著变形。

一个能坚持下来的平台

制造可靠植入式传感器的另一个挑战是它们必须长时间固定在光滑表面上。在一篇《自然材料》期刊的论文中，高和他的实验室成员报告了一种新装置，该装置不仅能粘附在器官和其他内部结构上，还能根据需要提供治疗干预。

“这项工作令人兴奋的是，我们开发出一种柔软可伸缩的植入平台，能够牢固附着湿组织，同时即使身体运动也能保持稳定，”高博士实验室的博士后学者、论文第一作者李嘉宏（博士）说。

“该设备可以同时监测物理和化学信号，并传递电刺激，有助于实现电子设备与人体之间更无缝、更持久的接口。”

与SIRES研究类似，团队采用可拉伸液态金属和弹性体复合材料策略，制造生物物理和生化传感器，在大变形（如胃膨胀引起的变形）下保持稳定的电化学性能。但为了让平台在体内工作，他们必须开发一种新的粘合剂，使其能粘附在湿组织上。

高和他的实验室成员共同创造了分子水凝胶，这是一种由富含水分材料制成的三维网状结构，用以保持粘合剂柔软且有弹性。他们采用了类似橡胶的弹性体，确保物质能随着生物传感器的拉伸而延展。当水凝胶接触湿组织时，会发生一种称为聚合的化学反应，使组织和器件结合在一起。

“该装置不仅能附着在器官上，我们还展示了其粘附力可以非常非常强，”高说道。“它们能维持数月的稳定，确保接口稳定。”

通过将强力粘合剂与可拉伸化学传感器和电极结合，用于物理感测和电刺激，研究人员构建了一个小型可植入闭环平台ElHyX（弹性水凝胶X，X代表平台多功能性），用于监测和治疗疾病。例如，高和李证明该设备可用于体内心电图监测、葡萄糖感知和神经刺激。

高说：“在动物模型中，我们使用化学传感器监测血糖水平，并在血糖过高时刺激调节胰岛素释放的神经，使其无法维持在健康范围内以利糖尿病管理，”高说。

“心脏的物理感知也能追踪糖尿病相关高血压。这种多功能闭环系统此前尚未被展示过。”

ElHyX平台的组件可通过3D打印技术制造，意味着设备能够快速且低成本地制造。接下来，研究人员将致力于提升长期稳定性和可靠性，然后再进行人体测试。

“与可穿戴传感器不同，我们需要手术来植入这个平台，”高说。“这对我们来说仍是一个相当新的方向，因此最重要的挑战之一是确保它能持续数月，甚至数年。”

团队认为ElHyX可用于监测和治疗包括疼痛、压力和焦虑在内的多种健康状况。

李说：“未来，我们希望像这样的平台能支持更个性化的慢性病监测和治疗。”

出版信息

Yadong Xu 等，应变韧性本质可伸缩电化学生物界面，《科学》（2026）。DOI： 10.1126/science.aed1630

李嘉宏等，《自然材料》（2026）。www.nature.com/articles/s41563-026-02624-4期刊信息：自然材料 ，科学