美国加州理工学院：可穿戴柔性传感器最新突破！

研究背景

可穿戴和植入式生物传感器是一类新兴的健康监测技术，因其能够实现个性化、实时监测营养物质、代谢物、激素及药物等循环分子，广泛应用于生理健康评估、疾病早期诊断和精准医疗等领域。与传统实验室血液分析方法相比，可穿戴和植入式生物传感器具有高时间分辨率、实时监测、无创或微创等优点。然而，现有传感器仍存在监测物种有限、生物液体环境下稳定性较差、以及生物识别元件修饰复杂等问题，因此在长期可靠性和大规模生产方面面临挑战。

研究内容

鉴于此，美国加州理工学院（California Institute of Technology）Minqiang Wang, Cui Ye，高伟Wei Gao等人在“Nature Materials”期刊上发表了题为“Printable molecule-selective core–shell nanoparticles for wearable and implantable sensing”的最新论文。该团队设计并制备了一种溶液合成的核壳纳米颗粒，其兼具靶分子识别与稳定电化学信号传输功能，可用于大规模制造稳定的传感器，实现多种循环生物标志物（如氨基酸、维生素、代谢物和药物）的连续监测。该核壳结构由分子印迹聚合物（MIP）外壳和普鲁士蓝类似物（PBA）基红氧核心组成，MIP外壳选择性结合目标分子，并通过改变核心的电子传输特性来调制电化学信号。

研究发现，基于六氰合镍铁（NiHCF）核心的纳米颗粒可在生物液体环境下保持高稳定性，适用于长期监测。该团队采用优化的纳米颗粒墨水，通过喷墨打印技术批量制备柔性传感器阵列，实现了可规模化、低成本的生产。相比于传统生物传感器，该方法在减少人工操作的同时，提升了传感器的一致性和可靠性。

此外，该研究展示了该类传感器在个性化健康监测中的广泛应用。研究团队开发了基于此技术的可穿戴贴片，可用于无创、多重汗液生物标志物分析，同时可植入皮下实现实时组织间液生物标志物监测。通过维生素C、色氨酸和肌酐等模型分析物，该团队验证了传感器在长期新冠研究中的应用潜力，并进一步在癌症患者的治疗药物监测（TDM）及小鼠模型中，成功实现了免疫抑制剂（如布司芬、环磷酰胺和吗替麦考酚酯）的实时检测。

图文导读

1.实验首次提出可打印的核-壳纳米颗粒，用于可穿戴和植入式生物传感器的制备，得到了具有分子选择性识别和稳定电化学信号传导功能的纳米颗粒。这些纳米颗粒由分子印迹聚合物（MIP）壳层和基于普鲁士蓝类似物（PBA）NiHCF的氧化还原活性核心组成，能够选择性地识别多种循环生物标志物。

2.实验通过优化的喷墨打印技术，将核-壳纳米颗粒墨水大规模生产出柔性传感器阵列。这些传感器能够实现氨基酸、维生素、代谢物和药物等多种生物标志物的实时监测。通过这种方法，传感器可实现可穿戴和植入式生物传感器的生产，具有低成本、高稳定性和可扩展性。

3.实验通过展示维生素C、色氨酸和肌酐等标志物的实时监测，证明了该技术在长新冠患者中的应用潜力。同时，传感器还被验证用于癌症患者的治疗药物监测，通过实时分析免疫抑制剂（如布司坦、环磷酰胺和霉酚酸），显示了其在精准医疗中的重要应用前景。

4.实验通过进一步的功能材料设计，成功克服了传统生物传感器在生物流体中的稳定性和生产规模化方面的挑战，简化了传感器制造流程，使其具有高度的生产一致性和较低的传感器间差异。

图 1| 用于可穿戴和可植入生物传感的可打印分子选择性核壳纳米粒子。

图 2|用于靶标识别和信号转导的双功能核壳纳米粒子设计和表征。

图 3| 完全喷墨打印MIP/NiHCF纳米粒子的电化学生物传感器表征。

图 4| 用于可穿戴长COVID和营养监测，基于打印分子印迹聚合物molecularly imprinted polymer ，MIP/镍铁普鲁士蓝nickel hexacyanoferrate，NiHCF纳米粒子的生物传感器评价。

图 5| 用于实时治疗药物监测therapeutic drug monitoring，TDM可穿戴和可植入，基于MIP/NiHCF纳米粒子的生物传感器评估。

结论展望

本研究通过创新性的核-壳纳米颗粒设计，解决了可穿戴和植入式生物传感器在目标识别、信号传导、稳定性和规模化生产方面的关键挑战，为精准医疗和个性化健康监测提供了新的技术路径。分子印迹聚合物（MIP）壳层的引入，使传感器能够实现高度可定制的目标分子识别，而基于普鲁士蓝类似物（PBA）的氧化还原核心确保了长期稳定的电化学信号输出。这一突破性的双功能结构，使得生物传感器能够实时监测多种循环生物标志物，如氨基酸、维生素、代谢物和药物，为疾病监测和治疗药物管理提供了可靠手段。此外，采用喷墨打印技术实现传感器的规模化制造，大大降低了成本，提高了传感器的一致性和可扩展性，为未来医疗器械的大规模商业化奠定了基础。本研究不仅推动了功能材料在生物传感领域的应用，也为生物流体实时分析提供了新的研究方向，展现了可穿戴和植入式生物传感器在全球健康监测和精准医疗中的巨大潜力。

该文章发表于Nature Materials上

文章链接：https://doi.org/10.1038/s41563-024-02096-4

审核编辑 黄宇