柔性可穿戴生物醫(yī)學(xué)芯片目前主要可應(yīng)用于：1）皮膚或器官生理信號傳感器；2）透皮給藥、在體基因轉(zhuǎn)染（圖1）。近年來，微納米技術(shù)的發(fā)展，使可穿戴傳感器在單細(xì)胞精度上進(jìn)行長時(shí)間、實(shí)時(shí)生理參數(shù)的檢測。另一方面，基于微納米結(jié)構(gòu)的在體透皮遞送系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)精確分子遞送，包括小分子（如葡萄糖等）和大分子（如蛋白，質(zhì)粒等）。最新報(bào)道的一些納米轉(zhuǎn)染芯片可以有效地表貼于皮膚上，并在單細(xì)胞精度上進(jìn)行基因轉(zhuǎn)染。與常規(guī)方法相比，納米芯片的轉(zhuǎn)染效率、安全性和劑量可控性都具有顯著優(yōu)勢。

圖1 可佩戴單細(xì)胞傳感器和單細(xì)胞基因轉(zhuǎn)染芯片

北京航空航天大學(xué)常凌乾教授（第一作者）、樊瑜波教授（通訊作者），休斯敦大學(xué)余存江教授（通訊作者），內(nèi)布拉斯加大學(xué)楊瑞國教授（通訊作者），北德克薩斯大學(xué)醫(yī)學(xué)院Yu-Chieh Wang教授聯(lián)合在Cell Press著名綜述期刊《Trends in Biotechnology》上發(fā)表論文，評論和展望了單細(xì)胞傳感和基因轉(zhuǎn)染佩戴式生物芯片的研究。北航生物醫(yī)學(xué)與工程學(xué)院為第一單位。

第一部分總結(jié)了單細(xì)胞檢測的佩戴式傳感芯片。理論上講，傳感器敏感區(qū)域尺寸決定了是否可以檢測單細(xì)胞。設(shè)計(jì)細(xì)胞尺寸（10~100 μm）的敏感區(qū)域，嚴(yán)格控制敏感膜與細(xì)胞之間的距離，即目標(biāo)分子（如細(xì)胞激素、多肽、神經(jīng)遞質(zhì)等）的傳遞距離，可有效提高傳感器的信噪比（S/N）。除此之外，傳感器材料也是構(gòu)建單細(xì)胞傳感器的重要條件：基底材料直接決定了傳感器與皮膚或器官的接觸性；生物敏感膜材料決定了傳感器的靈敏度、準(zhǔn)確度和長時(shí)間工作可靠性。綜述總結(jié)了最新報(bào)道的具有單細(xì)胞精度傳感器的原理、器件性能和功能、檢測細(xì)胞種類和信號類別等（圖2）。

圖2 有望具備單細(xì)胞精度的可穿戴傳感器。（a）可從皮膚細(xì)胞檢測到的代表性信號。（b）rGO/FeTCPs FET傳感器用于單細(xì)胞精度NO檢測；（c）基于CNT/PDMS的ECG電極；（d）基于微流控的單細(xì)胞檢測芯片。

第二部分聚焦于在體透皮藥物遞送和基因轉(zhuǎn)染芯片系統(tǒng)。常規(guī)的透皮系統(tǒng)僅可用于遞送易被表皮細(xì)胞、真皮細(xì)胞吸收的小分子物質(zhì)，如葡萄糖、胰島素等。大分子質(zhì)粒、核酸等，由于很難直接進(jìn)入細(xì)胞內(nèi)，常規(guī)遞送系統(tǒng)往往導(dǎo)致很低的效率。最新微納米生物芯片可以單細(xì)胞精度上直接進(jìn)行在體大分子遞送或基因轉(zhuǎn)染。綜述總結(jié)了兩種基于物理方法的可表貼佩戴式的細(xì)胞基因轉(zhuǎn)染系統(tǒng)，即納米電穿孔基因轉(zhuǎn)染技術(shù)和納米針尖系統(tǒng)，并討論了各自的優(yōu)缺點(diǎn)和應(yīng)用范圍（圖3）。

圖3 單細(xì)胞精度的在體基因轉(zhuǎn)染芯片。（a）一種可以直接貼皮的聚合物柔性微針陣列可用于在體電穿孔；（b）可降解納米硅針陣列用于在體核酸遞送；（c）硅基納米通道電穿孔技術(shù)用于在體細(xì)胞重編程。

最后，對該領(lǐng)域研究進(jìn)行展望，提出5個(gè)關(guān)鍵問題，包括，如何設(shè)計(jì)敏感膜以實(shí)現(xiàn)單細(xì)胞精度；如何確保在佩戴和檢測過程中皮膚和敏感膜的有效接觸；如何微型化遞送系統(tǒng)以實(shí)現(xiàn)單細(xì)胞基因轉(zhuǎn)染；如果在深層皮膚內(nèi)達(dá)到具有治療效果的遞送和轉(zhuǎn)染；如何整合芯片系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)多種功能等。

文章檢索：

L. Chang, Y. Wang, F. Ershad, R. Yang, C. Yu, Y. Fan, Wearable Devices for Single Cell Sensing and Transfection.Trends in Biotechnology, 2019, DOI: 10.1016/j.tibtech.2019.04.001

課題組簡介：

常凌乾博士，現(xiàn)為北京航空航天大學(xué)生物與醫(yī)學(xué)工程學(xué)院教授，醫(yī)工交叉高精尖中心單細(xì)胞分析納米技術(shù)研究所（INSCA）執(zhí)行副所長。曾擔(dān)任美國北德克薩斯大學(xué)（University of North Texas）生物醫(yī)學(xué)工程系助理教授（Tenure Track），入選2017年中組部‘青年千人計(jì)劃’。

課題組研究聚焦于單細(xì)胞基因轉(zhuǎn)染技術(shù)、細(xì)胞微操縱技術(shù)、細(xì)胞基因檢測、治療等技術(shù)的研究。近五年在國際知名期刊發(fā)表SCI論文50篇，如Nature Nanotechnology, Nano Letters, Small等。