离子水凝胶中的界面阻抗工程：用于集成酶促和电生理传感技术

N. Aina Afiqah Amran | N. Fairuz Ain Zaini Ambia | Wan Jeffrey Basirun | Azhar Ariffin | Nurdiana Nordin

马来西亚马来亚大学理学院化学系，50603，吉隆坡，马来西亚

摘要

界面电荷转移电阻仍然是可穿戴酶生物传感器中的一个关键瓶颈，尤其是在柔软、可变形的系统中，阻抗不稳定性限制了信号放大。在这里，我们介绍了一种经过阻抗工程设计的双网络离子水凝胶，旨在有目的地调节生物电子界面处的离子导电性和电荷转移电阻（R_ct）。将四丁基溴化铵（TBAB）掺入壳聚糖/PEGDE/AAm-co-AA基质中，使离子导电性提高到约8.5 × 10^-3 S cm^-1，并将R_ct降低到约190 Ω，从而证明了结构-阻抗-灵敏度之间的定量关系。优化后的水凝胶在0.1–10 mM范围内对葡萄糖的灵敏度为31 ± 2 μA mM^-1 cm^-2，检测限为18 μM，响应时间（t₉₀ = 3.2 s），比未掺杂的对照组提高了3倍以上。除了生化传感之外，这种离子连续界面还实现了应变依赖的电学调制（ΔR/R₀ ≈ 0.65在60%应变时）和高保真心电图（ECG）采集，信噪比约为47 dB。双葡萄糖-乳酸配置在同一电解质层内表现出选择性和叠加响应。乳酸传感通道在0.1–6 mM范围内表现出线性响应，检测限约为12 μM，并且响应速度快，证实了在集成软生物界面内的高效多模态传感。支持机器学习分析表明R_ct和离子导电性是灵敏度的主要决定因素，验证了阻抗调制作为多功能可穿戴生物界面可扩展材料级设计原则的有效性。

引言

糖尿病影响全球超过4.6亿人，并且与心血管和代谢并发症密切相关（Arokiasamy等人，2021年）。连续葡萄糖监测（CGM）通过实现实时代谢跟踪，改变了血糖管理方式，优于间歇性血液采样（Liu和Zhang，2024年；Reddy和Oliver，2024年）。因此，开发能够在机械变形下可靠运行的柔性可穿戴电化学生物传感器已成为生物电子研究的核心焦点。

最近的进展利用了MXenes、贵金属纳米颗粒和激光诱导石墨烯（LIG）等纳米结构材料来提高电化学灵敏度和响应动力学（Rajaji等人，2022年；Z. Wang等人，2024年）。基于LIG的电极具有高导电性和有利于质量传输的多孔结构（Huang等人，2024年；Khairul Nidzham等人，2025年）。尽管这些材料创新显著推动了可穿戴生物传感的发展，但界面电荷转移电阻（R_ct）和应变下的阻抗不稳定性仍然是关键瓶颈。酶-电极界面处的阻抗升高限制了信号放大，并影响了柔软、可变形系统的重复性。

生物聚合物基质，如壳聚糖，已被用于改善酶的固定和生物相容性（Ambia等人，2025年；Fidalgo等人，2022年）。这些系统增强了催化稳定性和机械顺应性，但软聚合物网络通常表现出有限的离子迁移性（Lu和Zhang，2023年；Tordi等人，2025年），导致在变形过程中界面电阻高和信号漂移。尽管离子水凝胶提供了改善机械一致性的水合路径（Nordin等人，2024年；Weng等人，2023年），但离子导电性通常被视为固有的材料属性，而不是控制电化学信号转导的可主动调节参数。因此，水凝胶结构、界面阻抗和生物传感器性能之间的定量关系尚未得到充分定义。

在这里，我们引入了界面阻抗工程作为一种有目的的材料级策略，用于可穿戴生物电子学。通过将TBAB掺入双网络壳聚糖/PEGDE/AAm-co-AA水凝胶中，系统地调节离子导电性和R_ct，我们展示了结构-阻抗-灵敏度之间的直接关系。由此产生的离子连续基质增强了酶促葡萄糖传感，同时稳定了低频电生理耦合，使得在单一软界面内实现集成生化和心脏监测成为可能。这项工作将离子传输重新定义为软生物界面中的主动设计变量，而不仅仅是次要的材料属性。

与主要关注材料导电性或酶固定的传统水凝胶生物传感器不同，本研究引入了界面阻抗工程作为多功能生物界面的预测性设计策略。通过掺入TBAB来调节离子传输和电荷转移电阻，同一软平台同时改善了葡萄糖传感、双重代谢物检测和可穿戴ECG采集，展示了集成生物电子系统的更广泛框架。

章节片段

化学物质和材料

壳聚糖（脱乙酰化程度约为75%）、丙烯酰胺（AAm）、丙烯酸（AA）、2-羟基-4′-(2-羟基乙氧基)-2-甲基丙酮（Irgacure 2959）、聚乙二醇二缩水甘油醚（PEGDE）、葡萄糖氧化酶（GOx，来自Aspergillus niger）、乳酸氧化酶（LOx）、D-(+)-葡萄糖和L-乳酸钠均从Sigma-Aldrich（美国密苏里州圣路易斯）购买。乙酸从R&M Chemical（马来西亚）获得。四丁基溴化铵（TBAB）用作离子掺杂剂。

设备架构和阻抗工程传感机制

设备架构和传感机制如图1所示。一种可拉伸的双网络离子水凝胶与酶功能化电极集成在一起，实现在单一软界面内的生化和生理信号转导。该水凝胶是通过UV引发的AAm和AA共聚，然后使用PEGDE进行共价交联形成的。这种双网络结构提供了机械顺应性、高水合性和酶功能基团。

结论

这项工作表明，界面阻抗工程为调节基于水凝胶的生物界面性能提供了一种有效策略。通过在双网络水凝胶中调节离子导电性和电荷转移电阻，实现了在单一软平台内的增强酶促传感和稳定的电生理信号采集。结果表明，传感性能受到耦合的传输-反应机制的影响，其中离子

CRediT作者贡献声明

N. Aina Afiqah Amran：方法学、研究、数据分析、概念化。Wan Jeffrey Basirun：验证、数据分析、概念化。N. Fairuz Ain Zaini Ambia：研究、数据分析、概念化。Nurdiana Nordin：监督、资金获取、数据分析、概念化。Azhar Ariffin：数据分析、概念化

Wang等人，2024年。

作者声明没有明显的财务利益冲突或个人关系可能影响本文中的发现。

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的财务利益冲突或个人关系可能影响本文所述的工作。

致谢

本研究得到了马来亚大学 2025年研究卓越基金（UMREG025-2025）的支持。