面向医疗器械关键传感元件的需求 开展传感检测的界面调控研究

中山大学周建华教授团队

当前，生物医学检测领域面临诸多技术瓶颈，主要包括临床检验速度受限、样本需求量高及多指标联检困难等关键问题。同时，在医疗传感设备研发方面，依然存在检测结果可靠性提升、用户佩戴舒适度优化以及多源生理信号融合分析等技术挑战。这些问题的存在直接影响了临床诊断效率和精准医疗的实施效果。

中山大学周建华教授团队（以下简称“团队”）面向人民生命健康和国际科技前沿，以生物医学传感检测、可穿戴诊疗设备、微流控平台和功能影像介导诊疗技术为科技手段，开展生化和分子快速检测、生物医学器官芯片、可穿戴传感及影像介导精准诊疗技术的研究。针对临床检验速度慢、需样量多的不足，提出“缩短扩散距离 - 增强固液传质”的策略，基于微流控芯片液体操控的快速检测技术，实现微量心血管标志物和感染 / 传染病原体的便携化多指标超快检测；针对监护装置信号不准确和依从性低的不足，提出“原位成型 - 柔性贴合”的传感策略和器件，结合人工智能信号处理，提高了口腔生化、体表液体和心电信号采集的可穿戴依从性、通量和准确性；融合传感检测，将“显微传感检测 - 微流控芯片 - 人工智能”有机结合，实现疾病相关单细胞高通量检测、传感检测材料和药物晶型 / 组合的高通量筛选。

图 1 团队成员合照

团队在Nature Communications、Advanced Materials、 ACS Nano 等 SCI 期刊以第一作者或通信作者发表论文 100 余篇，获授权中国发明专利 27 件（一种多模态液滴检测系统及方法，ZL202311138966.7；一种粘附性药物微球及其制备方法和在膀胱灌注治疗中的应用，ZL202211262015.6 等），其中 2 件已完成转化。团队成果为眼科、口腔 - 消化道、心血管、泌尿系统和感染等疾病的机制研究、预防、诊疗和临床救治提供了科学平台和技术支撑。

1 体外快速诊断：生化检测技术及集成微流控检测装置

围绕生物医学检测中存在的临床检验速度受限、样本需求量高及多指标联检困难等关键问题，团队提出了 “缩短扩散距离 - 增强固液传质”的检测策略，研究了固 - 液界面目标分子扩散和识别机制，并结合微流控技术以操控液体流动，构建了新型界面传感和检测新技术。

同时，发展微流控芯片先进制备工艺，将检测技术与芯片匹配融合，结合人工智能数据检测，实现疾病标志物的高灵敏快速检测。

图 2 周建华教授（右）开展实验

团队设计出多种微流控芯片结构以操控通道内流体。基于流体动力学与界面传质原理，提出通过缩短扩散距离以增强传质效率，提升检测体系中分子扩散与相互作用。

通过设计具有定向自输运功能的微沟槽膜，实现了液体在膜表面的自传输与对流，并受猪笼草“锐边效应”启发，进一步优化结构，开发出具有超高整流效应的倒刺箭头仿生膜结构。此外，通过模拟芯片内流体往复流动，利用湍流效应提高靶标与探针的结合效率，显著缩短检测时间。

基于上述流体操控方法，团队开发出多项快速检测技术。采用具有单向流动和超高整流系数的微通道替代传统硝酸纤维素膜，实现样品高效单向流动（图 3），应用于侧向流免疫检测，成功实现对新冠病毒 N 蛋白和心梗标志物 cTnI 的高灵敏快速检测（时间缩短至 4 min，灵敏度达 1.97 ng/mL）。利用微流控通道内流体往复运动与湍流效应，突破传统静态孵育限制，大幅加快免疫反应，并开发出多通道微流控芯片，将检测时间缩短至 5min 内，灵敏度较常规酶联免疫吸附试验（ELISA）提高两个数量级，部分专利已完成技术转让。团队还开发了一体化核酸检测芯片，集成微流控与电穿孔技术，实现真菌 / 细菌核酸的快速提取与检测，全过程仅需 9 min。

(a) 单向流表面微观结构膜结构表征；(b) 溶液在单向流表面微观结构上的受力分析；(c) 由单向流表面微观结构膜制成的侧向流动条带特征 , 溶液在单向流表面微观结构膜上流速高，在T 线流速低，有足够时间进行免疫反应；（d）单向流表面微观结构膜在 hs-cTnI 超快速侧流测定中的应用，可在 4 min 内检测外周血中的 cTnI，实现急性心肌梗死的快速诊断。

图 3 基于单向流表面微观结构膜的侧向流动免疫检测研究工作

为完善检测流程，团队进一步开发了配套便携式检测仪器，结合人工智能构建新型即时检验（POCT）平台。在前期单芯片基础上优化设计六通道芯片，结合 ELISA 方法，研制出微型化往复流动 ELISA 分析仪（RF-ELISA），可在 3.5 min 内完成检测，检测限低至5.2 ～ 6.6 pg/mL，具备高灵敏与高特异性，适用于基层医疗机构的现场检测。此外，提出折射率传感品质因数接近理论极限的金蘑菇等离子体阵列，实现细胞色素 c 和甲胎蛋白的超灵敏“一步法”检测；开发具有梯度渐变结构的纳米光学超表面，集成成像传感方案，构建超高灵敏度光学检测平台，检测时间较常规局域表面等离子共振（LSPR）缩短 50%，检测限降低 1 个数量级；搭建集成微流控、等离子超表面和曲面光栅衍射成像的检测装置，实现蛋白超灵敏检测。结合人工智能机器学习算法，开发双模式荧光 / 智能侧流免疫分析系统，通过图像数据处理进一步提升检测灵敏度与可靠性。

2 可穿戴传感器：生物传感器及集成微装置

针对医疗仪器中传感检测的准确性、穿戴依从性及多模态信号集成问题，团队着眼于调控传感器与生物组织之间界面特性这一关键科学问题，提出“原位成型 - 柔性贴合”的传感策略。深入研究界面电子的传输机理，设计界面材料、精心优化界面传感范式，逐步构建机械适应好和电学耦合高的生物医学传感界面，并融合人工智能信号分析，研发高性能生物医学传感器及集成微装置，通过“材料 - 器件 - 算法”的协同优化提高监测系统的准确性。

团队开发了形状匹配的柔性可穿戴口腔传感器和定位采集信号机制。针对传统刚性界面与生物组织形状失配导致的信号失真，提出“原位成型 - 形状匹配 - 柔性贴合”策略，解决可穿戴器件在复杂生理环境下共形贴合的问题，研制出透明、高弹性、低成本的原位成型传感牙套（图 4）。该装置化学稳定性、生物相容性和穿戴依从性良好，适用于口腔疾病和呼吸系统疾病的大规模筛查与早期诊断。

（a）ZnO-PDMS 牙套工作原理示意图；（b）用于可视化牙齿损伤部位的 ZnO-PDMS 牙套的荧光图像；（c）ZnO-PDMS 牙套对患者牙齿病变部位进行筛查。

图 4 基于形貌贴合的可穿戴传感牙套研究工作

针对湿环境下生物电子界面耦合稳定性问题，团队开发了新型原位成型弹性水凝胶生物电子器件。通过近红外光诱导固化技术，实现与皮肤褶皱和毛发的高贴合紧密结合，将界面接触阻抗从约 600 kΩ 降至约 50 kΩ，显著提高了动态信号采集准确性。该界面有效促进离子 - 电子转导和生物电信号传递，在避免信号串扰和运动伪影（变异系数＜ 5%）的同时，成功应用于射击过程中肌电与运动信号的协同分析，提升了训练准度与精度。

针对多模态信号干扰与复杂环境数据可靠性难题，集成柔性传感界面、智能算法及软硬件协同，团队研发出融合电生理、力学与生化信号的智能感知技术。该系统通过仿生纳米织物界面及 YOLO v3 网络实现汗液量监测 97% 的准确率；基于超弹性复合界面具备高拉伸、高稳定（万次循环误差 0.8%）与高灵敏度的特性，结合卷积神经网络 / 全连接神经网络（CNN/FNN）算法完成脉搏解析、手势及呼吸识别；采用仿生增强型纳米织物 / 石墨烯传感器，并通过1D-CNN 实现 88% 盲文识别率，计算效率提升 80%。此外，依托碳纳米管复合传感器实现了中医熏蒸治疗多参数实时监测。

上述工作通过“材料 - 器件 - 算法”协同优化，为可穿戴医疗设备在精准化、舒适化及多指标集成检测方面提供了理论支持与技术路径。

图 5 周建华教授

3 高通量筛选：基于显微传感检测 - 微流控芯片 - 人工智能的高通量芯片平台

团队针对医疗仪器开发中高通量检测的技术瓶颈，系统构建了“显微传感 - 微流控 - 人工智能”协同技术体系，解决了传统方法在动态监测灵敏度、检测通量及数据分析效率方面的不足。开发跨尺度动态监测技术（LSPR 传感、液态电镜、诊疗微泡）定量验证分子构象变化、纳米颗粒转运及组织修复机制；通过微流控系统（浓度梯度芯片、液滴结晶平台、动态 3D 打印）提升生物材料合成、药物筛选及单细胞行为分析的通量与调控维度；结合深度学习算法（时序预测、路径拓扑分析、物理信息强化学习）解析高维数据中的药物协同作用阈值、肿瘤耐药传播动力学等规律。该工作形成从基础理论（纳米材料 - 细胞界面动力学）、核心器件（高通量传感芯片）到智能算法（动态数据解析）的完整方法体系，系统性提升筛选效率与结果可靠性，为生物医学复杂条件优化与机制解析提供方法学框架。

4 结语

面向医疗器械关键传感元件的需求，团队聚焦传感检测的界面调控研究，在快速检测技术、可穿戴传感器和高通量筛选方面取得系列成果。下一步，他们将继续聚焦生物医学传感检测，探索传感界面电子和分子传输规律，结合先进芯片加工和高通量筛选技术，着力研发口腔、心血管和感染疾病亟需的诊疗设备。