研究背景

可穿戴和植入式生物傳感器是一類新興的健康監測技術，因其能夠實現個性化、實時監測營養物質、代謝物、激素及藥物等循環分子，廣泛應用于生理健康評估、疾病早期診斷和精準醫療等領域。與傳統實驗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間分辨率、實時監測、無創或微創等優點。然而，現有傳感器仍存在監測物種有限、生物液體環境下穩定性較差、以及生物識別元件修飾復雜等問題，因此在長期可靠性和大規模生產方面面臨挑戰。

研究內容

鑒于此，美國加州理工學院（California Institute of Technology）Minqiang Wang, Cui Ye，高偉Wei Gao等人在“Nature Materials”期刊上發表了題為“Printable molecule-selective core–shell nanoparticles for wearable and implantable sensing”的最新論文。該團隊設計并制備了一種溶液合成的核殼納米顆粒，其兼具靶分子識別與穩定電化學信號傳輸功能，可用于大規模制造穩定的傳感器，實現多種循環生物標志物（如氨基酸、維生素、代謝物和藥物）的連續監測。該核殼結構由分子印跡聚合物（MIP）外殼和普魯士藍類似物（PBA）基紅氧核心組成，MIP外殼選擇性結合目標分子，并通過改變核心的電子傳輸特性來調制電化學信號。

研究發現，基于六氰合鎳鐵（NiHCF）核心的納米顆?？稍谏镆后w環境下保持高穩定性，適用于長期監測。該團隊采用優化的納米顆粒墨水，通過噴墨打印技術批量制備柔性傳感器陣列，實現了可規?；⒌统杀镜纳a。相比于傳統生物傳感器，該方法在減少人工操作的同時，提升了傳感器的一致性和可靠性。

此外，該研究展示了該類傳感器在個性化健康監測中的廣泛應用。研究團隊開發了基于此技術的可穿戴貼片，可用于無創、多重汗液生物標志物分析，同時可植入皮下實現實時組織間液生物標志物監測。通過維生素C、色氨酸和肌酐等模型分析物，該團隊驗證了傳感器在長期新冠研究中的應用潛力，并進一步在癌癥患者的治療藥物監測（TDM）及小鼠模型中，成功實現了免疫抑制劑（如布司芬、環磷酰胺和嗎替麥考酚酯）的實時檢測。

圖文導讀

1.實驗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別和穩定電化學信號傳導功能的納米顆粒。這些納米顆粒由分子印跡聚合物（MIP）殼層和基于普魯士藍類似物（PBA）NiHCF的氧化還原活性核心組成，能夠選擇性地識別多種循環生物標志物。

2.實驗通過優化的噴墨打印技術，將核-殼納米顆粒墨水大規模生產出柔性傳感器陣列。這些傳感器能夠實現氨基酸、維生素、代謝物和藥物等多種生物標志物的實時監測。通過這種方法，傳感器可實現可穿戴和植入式生物傳感器的生產，具有低成本、高穩定性和可擴展性。

3.實驗通過展示維生素C、色氨酸和肌酐等標志物的實時監測，證明了該技術在長新冠患者中的應用潛力。同時，傳感器還被驗證用于癌癥患者的治療藥物監測，通過實時分析免疫抑制劑（如布司坦、環磷酰胺和霉酚酸），顯示了其在精準醫療中的重要應用前景。

4.實驗通過進一步的功能材料設計，成功克服了傳統生物傳感器在生物流體中的穩定性和生產規?；矫娴奶魬?，簡化了傳感器制造流程，使其具有高度的生產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|用于靶標識別和信號轉導的雙功能核殼納米粒子設計和表征。

圖 3| 完全噴墨打印MIP/NiHCF納米粒子的電化學生物傳感器表征。

圖 4| 用于可穿戴長COVID和營養監測，基于打印分子印跡聚合物molecularly imprinted polymer ，MIP/鎳鐵普魯士藍nickel hexacyanoferrate，NiHCF納米粒子的生物傳感器評價。

圖 5| 用于實時治療藥物監測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估。

結論展望

本研究通過創新性的核-殼納米顆粒設計，解決了可穿戴和植入式生物傳感器在目標識別、信號傳導、穩定性和規模化生產方面的關鍵挑戰，為精準醫療和個性化健康監測提供了新的技術路徑。分子印跡聚合物（MIP）殼層的引入，使傳感器能夠實現高度可定制的目標分子識別，而基于普魯士藍類似物（PBA）的氧化還原核心確保了長期穩定的電化學信號輸出。這一突破性的雙功能結構，使得生物傳感器能夠實時監測多種循環生物標志物，如氨基酸、維生素、代謝物和藥物，為疾病監測和治療藥物管理提供了可靠手段。此外，采用噴墨打印技術實現傳感器的規模化制造，大大降低了成本，提高了傳感器的一致性和可擴展性，為未來醫療器械的大規模商業化奠定了基礎。本研究不僅推動了功能材料在生物傳感領域的應用，也為生物流體實時分析提供了新的研究方向，展現了可穿戴和植入式生物傳感器在全球健康監測和精準醫療中的巨大潛力。

該文章發表于Nature Materials上

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

審核編輯 黃宇