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Wearable Bioelectni: Enzyme-Based Body-Worn Electnic Devices

可穿戴生物电子学：基于酶的人体可穿戴电子设备

Jayoung Kim, Itthipon Jeerapan, Juliane R. Sempionatto, Abbas Bardokht, Rupesh K. Mishra, Alan S. Campbell, Lee J. Hubble and Joseph Wang

CONSPECTUS

在这篇文章中，我们详细介绍了可穿戴生物电子设备的进展，并讨论了在体无创生物电子系统的未来挑战和前景。生物电子学是一个快速发展的跨学科研究领域，涉及生物材料与电子学的结合，此外，不要用海绵清洁，否则会损坏滤尘网表面，涵盖一系列生物器件，包括生物燃料电池、生物传感器、可食设备和植入设备。特别是，基于酶的生物电子学，建立在不同的生物催化反应之上，具有独特的优势，是可穿戴生物器件最引人注目的部分。此类可穿戴生物电子设备主要依赖于氧化还原酶，在从“高选择性、非侵入性生物标记物监测”到表皮能量收集等方面已经显示出相当大的应用前景。因此，这些系统可以极大地提高可穿戴设备的分析能力，从对移动性和生命体征的无处不在的监测，到对重要的化学生物标记物的非侵入性分析。可穿戴酶电极可以广泛应用于从医疗保健、体育运动到环境或国防的各个领域，并且都带来了令人兴奋的机会。这包括实时、非侵入性地检测在生物流体(如汗液、唾液、间质流体和眼泪）中的生物标记物，以及实时监测佩戴者周围的环境污染物和安全威胁。此外，利用生物燃料(如乳酸或葡萄糖)的生物电催化氧化作用来获取能量，可以将酶与导电柔性电极材料结合，用来开发生物燃料电池。基于酶的生物电子学成功应用的关键是对酶的电子转移动力学、酶的稳定性和酶的固定化策略有深刻的认识。这一认识对于建立氧化还原酶与导电电极载体之间的电子接触是至关重要的，这对开发健壮的、高效率的生物电子平台具有重要的意义。此外，可拉伸、柔性的、具有类似于生物组织的机械特性的生物电子平台，对于处理严格的在体（on-body）操作是必不可少的。因此，必须特别注意由体内操作的不受控制的条件(包括不同的户外活动和不同的生物流体)所引发的酶行为的变化，以保持这些生物电子设备在受控实验室环境中显示的卓越性能。因此，本文的一个研究重点是将生物催化层连接到可穿戴的电子设备上，以创造出高效、稳定的在体电化学生物传感器和生物燃料电池。通过对关键挑战的适当关注，并充分利用生物催化、电化学和柔性电子学的优势，可穿戴生物电子设备可生物医学、健康和国防等不同领域产生巨大影响。

1. Intduction

生物电子学的发展涉及到生物材料与电子设备的结合，生物部件组装在一种导电材料上，该材料将生物相互作用转换成可读的电子信号。这种结合具有变革性，是新一代创意的核心，其代表性的生物电子器件包括生物传感器、生物燃料电池(BF)和生物反应器。基于酶识别反应的电化学生物传感器是最古老、最常见的生物电子器件。这类生物传感应用依赖于酶反应与相应底物的显著的特异性，以及与底物浓度成正比的反应速率。进一步，利用酶与导电电极材料的结合来可以开发BF。这些生物电子装置依靠生物燃料(如乳酸或葡萄糖)的生物电催化氧化反应来获取能量。酶生物电子学成功应用的关键是对酶的电子转移动力学、酶的稳定性和酶的固定化策略的深刻认识。这一认识对于建立氧化还原酶与导电电极载体之间的高效电接触是至关重要的，这对生物电子平台的发展具有重要意义。由此产生的基于酶的生物电子系统可用于多种重要应用，从连续监测糖尿病患者的血糖，到警报危险的化学威胁威胁。可穿戴生物电子技术的发展引起了人们极大的兴趣(图1)。

图1 (A)与人体相结合的可穿戴生物电子的概念说明，包括生物传感器、电子装置、能源和显示器。可穿戴酶生物电子学的原理图包括(B)生物传感器，显示传感器表面的生物催化反应，(C)BFC显示生物阳极和生物传感器，(D)使用BF产生的功率与分析物浓度成正比的自供电生物传感器。

这篇文章重点介绍了可穿戴生物电子学尤其是在生物催化层方面进展。生物电子系统最近扩大了可穿戴设备(如腕带、手表和智能手机)的范围，从监测移动性和生命体征(如步伐、心率)扩展到对重要化学生物标志物的非侵入式分析。因此，可穿戴的酶电极为从医疗保健、体育运动到环境、国防的各种领域带来了令人兴奋的机会。在实践中，此类设备允许(1)实时、无创地检测生物流体（比如汗液、唾液、间质流体和眼泪）中的生物标记物，从而产生传统上通过血液分析才能获得的与健康相关的信息；(2)监测佩戴者周围环境中的环境污染物和安全威胁。可穿戴式能量收集生物燃料电池是生物电子系统的另一个重要例子。这样的装置也可以用来作为自给供能的生物传感器。可穿戴生物电子设备通常与人体紧密接触，因此要求开发具有必要的柔性和延展性的、符合人体要求的平台。集成生物电子的易穿戴能力也可能受到电源的大小和重量的限制。现有的电源可能会阻碍佩戴者的活动，并要求进一步的小型化和可弯曲化。基于符合人体的BF能量收集在这一方向上具有引人注目的应用前景。

我们的团队一直致力于开发可穿戴生物电子系统，其基础是三十多年来在开发传统生物电子设备方面所获得的广泛知识。将传统的生物电子技术转变为可穿戴的生物电子设备需要特别地关注在我们人体上高效生物电催化反应的实现与挑战。需要进一步注意在不受控制的条件下(例如常见的户外活动)操作这种基于酶的设备，而不损害这些生物电子设备在受控实验室环境中显示的性能。因此，本文主要研究如何将生物催化层与可穿戴的电子设备相结合，从而制造出高效、稳定的在体电化学生物传感器和生物传感器。这不是一个全面的综述，但旨在描述来自作者实验室的可穿戴生物电子系统的代表性例子，以解决上述挑战，并使各种监测和能源收集应用成为可能。

2. INTERFACING OCATALYTIC LAYER WITH WEARABLE OELECTRONI

要创造高性能的可穿戴生物电子学，需要引入新的能力，包括具有可控的生物催化性能的高质量酶-电子接口、机械柔性还有电子薄层的大面积加工。机械柔性对于接触皮肤或软组织的生物电子设备是必不可少的，海信空调维修技术 海信空调优势，渝中空调维修部海信空调维修技术，2、系统实测风量大于设计风量产生原因及解决方法，① 系统的实际阻力小于设计阻力，风机的风量因而增大，有条件时可以改变风机的转数，这一直是可穿戴设备的众多综述的主题。相应地，1、小心触电!，维修时拆卸设备之前务必从插座中拔出电源插头，本文主要关注：在不受控制的室外或室内环境中操作可穿戴生物电子设备时，如何实现所需的高效酶反应。在这里，我们将关注生物传感和生物燃料电池应用不同的基于酶的可穿戴生物电子平台上的应用。

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