研究背景

可穿戴和植入式生物傳感器是一類(lèi)新興的健康監(jiān)測(cè)技術(shù)，因其能夠?qū)崿F(xiàn)個(gè)性化、實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)、代謝物、激素及藥物等循環(huán)分子，廣泛應(yīng)用于生理健康評(píng)估、疾病早期診斷和精準(zhǔn)醫(yī)療等領(lǐng)域。與傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)室血液分析方法相比，可穿戴和植入式生物傳感器具有高時(shí)間分辨率、實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)、無(wú)創(chuàng)或微創(chuàng)等優(yōu)點(diǎn)。然而，現(xiàn)有傳感器仍存在監(jiān)測(cè)物種有限、生物液體環(huán)境下穩(wěn)定性較差、以及生物識(shí)別元件修飾復(fù)雜等問(wèn)題，因此在長(zhǎng)期可靠性和大規(guī)模生產(chǎn)方面面臨挑戰(zhàn)。

研究?jī)?nèi)容

鑒于此，美國(guó)加州理工學(xué)院（California Institute of Technology）Minqiang Wang, Cui Ye，高偉Wei Gao等人在“Nature Materials”期刊上發(fā)表了題為“Printable molecule-selective core–shell nanoparticles for wearable and implantable sensing”的最新論文。該團(tuán)隊(duì)設(shè)計(jì)并制備了一種溶液合成的核殼納米顆粒，其兼具靶分子識(shí)別與穩(wěn)定電化學(xué)信號(hào)傳輸功能，可用于大規(guī)模制造穩(wěn)定的傳感器，實(shí)現(xiàn)多種循環(huán)生物標(biāo)志物（如氨基酸、維生素、代謝物和藥物）的連續(xù)監(jiān)測(cè)。該核殼結(jié)構(gòu)由分子印跡聚合物（MIP）外殼和普魯士藍(lán)類(lèi)似物（PBA）基紅氧核心組成，MIP外殼選擇性結(jié)合目標(biāo)分子，并通過(guò)改變核心的電子傳輸特性來(lái)調(diào)制電化學(xué)信號(hào)。

研究發(fā)現(xiàn)，基于六氰合鎳鐵（NiHCF）核心的納米顆?？稍谏镆后w環(huán)境下保持高穩(wěn)定性，適用于長(zhǎng)期監(jiān)測(cè)。該團(tuán)隊(duì)采用優(yōu)化的納米顆粒墨水，通過(guò)噴墨打印技術(shù)批量制備柔性傳感器陣列，實(shí)現(xiàn)了可規(guī)?；?、低成本的生產(chǎn)。相比于傳統(tǒng)生物傳感器，該方法在減少人工操作的同時(shí)，提升了傳感器的一致性和可靠性。

此外，該研究展示了該類(lèi)傳感器在個(gè)性化健康監(jiān)測(cè)中的廣泛應(yīng)用。研究團(tuán)隊(duì)開(kāi)發(fā)了基于此技術(shù)的可穿戴貼片，可用于無(wú)創(chuàng)、多重汗液生物標(biāo)志物分析，同時(shí)可植入皮下實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)組織間液生物標(biāo)志物監(jiān)測(cè)。通過(guò)維生素C、色氨酸和肌酐等模型分析物，該團(tuán)隊(duì)驗(yàn)證了傳感器在長(zhǎng)期新冠研究中的應(yīng)用潛力，并進(jìn)一步在癌癥患者的治療藥物監(jiān)測(cè)（TDM）及小鼠模型中，成功實(shí)現(xiàn)了免疫抑制劑（如布司芬、環(huán)磷酰胺和嗎替麥考酚酯）的實(shí)時(shí)檢測(cè)。

圖文導(dǎo)讀

1.實(shí)驗(yàn)首次提出可打印的核-殼納米顆粒，用于可穿戴和植入式生物傳感器的制備，得到了具有分子選擇性識(shí)別和穩(wěn)定電化學(xué)信號(hào)傳導(dǎo)功能的納米顆粒。這些納米顆粒由分子印跡聚合物（MIP）殼層和基于普魯士藍(lán)類(lèi)似物（PBA）NiHCF的氧化還原活性核心組成，能夠選擇性地識(shí)別多種循環(huán)生物標(biāo)志物。

2.實(shí)驗(yàn)通過(guò)優(yōu)化的噴墨打印技術(shù)，將核-殼納米顆粒墨水大規(guī)模生產(chǎn)出柔性傳感器陣列。這些傳感器能夠?qū)崿F(xiàn)氨基酸、維生素、代謝物和藥物等多種生物標(biāo)志物的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。通過(guò)這種方法，傳感器可實(shí)現(xiàn)可穿戴和植入式生物傳感器的生產(chǎn)，具有低成本、高穩(wěn)定性和可擴(kuò)展性。

3.實(shí)驗(yàn)通過(guò)展示維生素C、色氨酸和肌酐等標(biāo)志物的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，證明了該技術(shù)在長(zhǎng)新冠患者中的應(yīng)用潛力。同時(shí)，傳感器還被驗(yàn)證用于癌癥患者的治療藥物監(jiān)測(cè)，通過(guò)實(shí)時(shí)分析免疫抑制劑（如布司坦、環(huán)磷酰胺和霉酚酸），顯示了其在精準(zhǔn)醫(yī)療中的重要應(yīng)用前景。

4.實(shí)驗(yàn)通過(guò)進(jìn)一步的功能材料設(shè)計(jì)，成功克服了傳統(tǒng)生物傳感器在生物流體中的穩(wěn)定性和生產(chǎn)規(guī)?；矫娴奶魬?zhàn)，簡(jiǎn)化了傳感器制造流程，使其具有高度的生產(chǎn)一致性和較低的傳感器間差異。

圖 1| 用于可穿戴和可植入生物傳感的可打印分子選擇性核殼納米粒子。

圖 2|用于靶標(biāo)識(shí)別和信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)的雙功能核殼納米粒子設(shè)計(jì)和表征。

圖 3| 完全噴墨打印MIP/NiHCF納米粒子的電化學(xué)生物傳感器表征。

圖 4| 用于可穿戴長(zhǎng)COVID和營(yíng)養(yǎng)監(jiān)測(cè)，基于打印分子印跡聚合物molecularly imprinted polymer ，MIP/鎳鐵普魯士藍(lán)nickel hexacyanoferrate，NiHCF納米粒子的生物傳感器評(píng)價(jià)。

圖 5| 用于實(shí)時(shí)治療藥物監(jiān)測(cè)therapeutic drug monitoring，TDM可穿戴和可植入，基于MIP/NiHCF納米粒子的生物傳感器評(píng)估。

結(jié)論展望

本研究通過(guò)創(chuàng)新性的核-殼納米顆粒設(shè)計(jì)，解決了可穿戴和植入式生物傳感器在目標(biāo)識(shí)別、信號(hào)傳導(dǎo)、穩(wěn)定性和規(guī)?；a(chǎn)方面的關(guān)鍵挑戰(zhàn)，為精準(zhǔn)醫(yī)療和個(gè)性化健康監(jiān)測(cè)提供了新的技術(shù)路徑。分子印跡聚合物（MIP）殼層的引入，使傳感器能夠?qū)崿F(xiàn)高度可定制的目標(biāo)分子識(shí)別，而基于普魯士藍(lán)類(lèi)似物（PBA）的氧化還原核心確保了長(zhǎng)期穩(wěn)定的電化學(xué)信號(hào)輸出。這一突破性的雙功能結(jié)構(gòu)，使得生物傳感器能夠?qū)崟r(shí)監(jiān)測(cè)多種循環(huán)生物標(biāo)志物，如氨基酸、維生素、代謝物和藥物，為疾病監(jiān)測(cè)和治療藥物管理提供了可靠手段。此外，采用噴墨打印技術(shù)實(shí)現(xiàn)傳感器的規(guī)?；圃欤蟠蠼档土顺杀?，提高了傳感器的一致性和可擴(kuò)展性，為未來(lái)醫(yī)療器械的大規(guī)模商業(yè)化奠定了基礎(chǔ)。本研究不僅推動(dòng)了功能材料在生物傳感領(lǐng)域的應(yīng)用，也為生物流體實(shí)時(shí)分析提供了新的研究方向，展現(xiàn)了可穿戴和植入式生物傳感器在全球健康監(jiān)測(cè)和精準(zhǔn)醫(yī)療中的巨大潛力。

該文章發(fā)表于Nature Materials上

文章鏈接：https://doi.org/10.1038/s41563-024-02096-4

審核編輯 黃宇