上海大学/福建物构所：研究基于HOFs薄膜的可穿戴式汗液传感器

氢键有机框架（HOFs）作为一种新兴的材料，因其固有的孔隙结构、优异的生物相容性和可调节的催化能力，被认为是构建高灵敏度生物传感器的理想平台。然而，传统的HOFs颗粒通常较为脆弱，难以与柔软的皮肤表面兼容，导致其在可穿戴设备中的应用受到限制。在这里，上海大学杨雪等人开提出了一种创新的解决方案：将HOFs薄膜与波浪结构的柔性生物电极相结合。这种设计不仅保留了HOFs的高灵敏度和催化性能，还通过波浪结构增强了材料的柔韧性和机械稳定性，使其能够适应人体皮肤的弯曲和拉伸。该可穿戴生物传感器具有超灵敏的检测能，可准确测量汗液中的营养成分，同时符合弯曲的皮肤表面。更引人注目的是 HOFs薄膜可以通过简单的溶剂冲洗过程再生，使其能重复使用，并且比传统的传感材料具有显着的优势。这项工作有可能激发电子设备的发展，利用HOFs的结构适应性和多样性，可实现个性化医疗保健应用和实时的健康监测。该研究以题为“Hydrogen-Bonded Organic Framework Films Integrated with Wavy Structured Design for Wearable Bioelectronics”的论文发表在《Small》上。

图1展示了基于PFC-1薄膜的可穿戴式汗液传感器制备和表征。研究团队采用界面辅助法在水表面合成了PFC-1薄膜，并将其转移到预拉伸的金/聚二甲基硅氧烷（Au/PDMS）波浪电极上。通过这种预拉伸沉积方法，电极在释放拉伸后形成了波浪结构，从而实现了HOFs薄膜与柔性电极的高效集成，突出了它们在电化学生物传感应用中的潜力。同时，PXRD谱图与模拟XRD谱图一致进一步证实了结晶化HOFs薄膜的成功制备。 图1.基于PFC-1薄膜的可穿戴式汗液传感器制备和表征 图2探讨了基于PFC-1薄膜的可穿戴式汗液传感器基的电化学性能。实验结果表明，这种基于HOFs薄膜的传感器在检测汗液中的抗坏血酸（维生素C）时表现出极高的灵敏度和优异的选择性，检测限低至49.64 nM，以及不会被汗液中其他与健康相关的生物标志物所干扰。此外，该传感器在复杂的环境条件下（如不同pH值）仍能保持稳定的性能，展示了其在实时健康监测中的巨大潜力。同时，该传感器的长期稳定性也得到了验证，连续13天以上的检测结果显示其具有出色的耐久性。 图2.基于PFC-1薄膜的可穿戴式汗液传感器的电化学性能 图3研究了基于PFC-1薄膜的可穿戴式汗液传感器的机械稳定性与再生能力。研究结果显示，该传感器在50%的拉伸应变下仍能保持稳定的电化学传感性能，即使在极端机械应力下，如经过多次弯曲和拉伸后，其电流响应几乎没有变化，证明了其在动态机械条件下的可靠性和耐久性。此外，HOFs薄膜具有出色的再生能力，通过简的单的溶剂冲洗过程，受损的薄膜可以重新生成，并用于制造新的传感器，再生后的薄膜在电化学传感测试中表现出与初始薄膜相似的性能，展示了其优异的可回收性和可持续性，大大提高了材料的可持续性和成本效益。 图3.基于PFC-1薄膜的可穿戴式汗液传感器基的机械耐久性表征 图4展示了基于HOFs的可穿戴汗液和血清维生素C分析传感器的生物安全性测试和演示。该图展示了HOFs传感器与人脐静脉内皮细胞（HUVECs）共培养48小时后的细胞存活率。结果显示，超过98.54%的细胞在24小时后仍保持存活，48小时后存活率为91.81%，证明了PFC-1薄膜的优异生物相容性，适合长期与生物组织接触的应用。此外，还展示了HOFs传感器在志愿者手臂上的实际应用。传感器能够牢固地附着在皮肤上，即使在剧烈运动后仍保持功能。传感器检测到的AA浓度与高效液相色谱（HPLC）的结果一致，验证了其在实时汗液分析中的准确性和可靠性。此外，还发现了该传感器在监测血清中维生素C水平方面的有效性，突显了其在健康和营养监测中更广泛应用的潜力。这些功能对于个性化医疗保健、饮食管理和预防营养相关缺陷和疾病特别有价值。 图4. 基于HOFs的可穿戴汗液和血清维生素C分析传感器的生物安全性测试和演示 结论 这项研究展示了HOFs薄膜在可穿戴生物电子设备中的巨大潜力，将HOFs薄膜与波浪形生物电极集成，成功开发了一种可穿戴的汗液传感器，实现了对人体汗液中营养生物标志物的实时、无创监测。通过创新的波浪结构设计，研究团队成功解决了传统HOFs材料与人体皮肤机械性能不匹配的问题，实现了高灵敏度、高柔韧性和高稳定性的完美结合。这项工作为将HOFs作为有源层集成到可穿戴电子设备中开辟了新的途径，为健康监测和个性化健康管理的先进应用铺平了道路。未来，随着HOFs材料的进一步优化和应用拓展，可穿戴生物传感器将在个性化健康管理、慢性病监测和运动健身等领域发挥越来越重要的作用。 原文链接：https://doi.org/10.1002/smll.202409587 审核编辑 黄宇