Wearable devices provide an alternative pathway to clinical diagnostics by exploiting various physical, chemical and biological sensors to mine physiological (biophysical and/or biochemical) information in real time (preferably, continuously) and in a non-invasive or minimally invasive manner. These sensors can be worn in the form of glasses, jewellery, face masks, wristwatches, fitness bands, tattoo-like devices, bandages or other patches, and textiles. Wearables such as smartwatches have already proved their capability for the early detection and monitoring of the progression and treatment of various diseases, such as COVID-19 and Parkinson disease, through biophysical signals. Next-generation wearable sensors that enable the multimodal and/or multiplexed measurement of physical parameters and biochemical markers in real time and continuously could be a transformative technology for diagnostics, allowing for high-resolution and time-resolved historical recording of the health status of an individual. In this Review, we examine the building blocks of such wearable sensors, including the substrate materials, sensing mechanisms, power modules and decision-making units, by reflecting on the recent developments in the materials, engineering and data science of these components. Finally, we synthesize current trends in the field to provide predictions for the future trajectory of wearable sensors. Wearable sensors that access both biophysical and biochemical information can be used to monitor the physiological state of an individual and facilitate diagnosis. This Review examines the building blocks of wearable devices, including the substrate materials as well as the sensing, decision-making and power modules.

Integrating synthetic biology into wearables could expand opportunities for noninvasive monitoring of physiological status, disease states and exposure to pathogens or toxins. However, the operation of synthetic circuits generally requires the presence of living, engineered bacteria, which has limited their application in wearables. Here we report lightweight, flexible substrates and textiles functionalized with freeze-dried, cell-free synthetic circuits, including CRISPR-based tools, that detect metabolites, chemicals and pathogen nucleic acid signatures. The wearable devices are activated upon rehydration from aqueous exposure events and report the presence of specific molecular targets by colorimetric changes or via an optical fiber network that detects fluorescent and luminescent outputs. The detection limits for nucleic acids rival current laboratory methods such as quantitative PCR. We demonstrate the development of a face mask with a lyophilized CRISPR sensor for wearable, noninvasive detection of SARS-CoV-2 at room temperature within 90 min, requiring no user intervention other than the press of a button.

The significant role of biofilms in pathogenicity has spurred research into preventing their formation and promoting their disruption, resulting in overlooked opportunities to develop biofilms as a synthetic biological platform for self-assembling functional materials. Here we present Biofilm-Integrated Nanofiber Display (BIND) as a strategy for the molecular programming of the bacterial extracellular matrix material by genetically appending peptide domains to the amyloid protein CsgA, the dominant proteinaceous component in Escherichia coli biofilms. These engineered CsgA fusion proteins are successfully secreted and extracellularly self-assemble into amyloid nanofibre networks that retain the functions of the displayed peptide domains. We show the use of BIND to confer diverse artificial functions to the biofilm matrix, such as nanoparticle biotemplating, substrate adhesion, covalent immobilization of proteins or a combination thereof. BIND is a versatile nanobiotechnological platform for developing robust materials with programmable functions, demonstrating the potential of utilizing biofilms as large-scale designable biomaterials. Bacterial cells use a self-generated extracellular matrix of various biomolecules in order to form biofilms and promote their stability. Here, the authors present a method for genetically controlling the composition of this extracellular matrix to yield more functional biofilms.

A CRISPR set of materials CRISPR technology is best known as a gene editing tool. English et al. developed a group of stimuli-responsive hydrogels to respond to the programmable nuclease Cas12a (see the Perspective by Han et al. ). The materials undergo molecular to macroscopic changes after Cas12a-dependent cleavage of double- or single-stranded DNA integrated into the gel. The authors show controlled release of particles linked to or imprisoned within the DNA, degradation of a gel with DNA solely forming the cross-links, and permeabilization of a gel with DNA partially forming the cross-links. These tools allow for the production of materials that release encapsulated nanoparticles and cells, act as degradable fuses, and enable remote radio-frequency identification signaling. Science , this issue p. 780 ; see also p. 754

An integrated, low-cost, sample-to-answer, CRISPR-based diagnostic detects SARS-CoV-2 and variants from unprocessed saliva.