科學(xué)家研發(fā)可用于穿戴和植入式傳感器的分子選擇性納米材料

醫(yī)學(xué)的未來很可能在于醫(yī)療的個(gè)性化——可根據(jù)個(gè)人的具體需求，提供定制化的營養(yǎng)素、代謝物及藥物組合，以穩(wěn)定和改善健康狀況，實(shí)現(xiàn)個(gè)性化醫(yī)療保健。為實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)，需要研發(fā)持續(xù)測量和監(jiān)測特定健康生物標(biāo)志物的技術(shù)手段。

為此，美國加州理工學(xué)院的科學(xué)家團(tuán)隊(duì)開發(fā)出一種噴墨打印特殊納米顆粒的技術(shù)（新一代“納米墨水”打印技術(shù)），可實(shí)現(xiàn)持久耐用的可穿戴汗液傳感器的批量生產(chǎn)。

這些傳感器能實(shí)時(shí)監(jiān)測維生素、激素、代謝物及藥物等多種生物標(biāo)志物，為患者和醫(yī)生提供持續(xù)追蹤這些分子水平變化的數(shù)據(jù)支持。近期，該研究成果以《可打印分子選擇性納米顆粒實(shí)現(xiàn)可穿戴生物傳感器量產(chǎn)》為題發(fā)表于《自然·材料》期刊。

采用這種新型納米顆粒的可穿戴生物傳感器已成功應(yīng)用于監(jiān)測美國加利福尼亞州杜阿爾特市希望之城醫(yī)療中心的新冠長期癥狀患者的代謝物水平。此外，還可以檢測癌癥患者的化療藥物濃度。

“這些只是技術(shù)潛力的兩個(gè)例證。”加州理工學(xué)院醫(yī)學(xué)工程系教授、論文通訊作者高偉表示，“這些傳感器使我們首次實(shí)現(xiàn)對(duì)多種慢性病及其生物標(biāo)志物進(jìn)行持續(xù)無創(chuàng)監(jiān)測。”

研究團(tuán)隊(duì)將這種納米顆粒稱為核殼立方體納米顆粒。其制備過程是：在含有目標(biāo)分子（如維生素"C）的溶液中，單體自發(fā)聚合成聚合物時(shí)將維生素"C 分子包裹在立方體內(nèi)部；隨后用溶劑特異性去除維生素"C，留下帶有與維生素C"分子形狀精確匹配空穴的分子印跡聚合物外殼——這類似于能選擇性識(shí)別特定分子形狀的人工抗體。

這項(xiàng)研究的創(chuàng)新之處在于，研究人員將這種特殊聚合物與六氰基鐵酸鎳（NiHCF）納米粒子核心結(jié)合。這種材料在接觸人體汗液或其他體液時(shí)，能在外加電壓下發(fā)生氧化還原反應(yīng)。以維生素"C 的監(jiān)測為例：當(dāng)維生素"C 形狀的空穴未被占據(jù)時(shí)，體液會(huì)接觸"NiHCF 核心并產(chǎn)生電信號(hào)；而當(dāng)維生素"C 分子占據(jù)空穴時(shí)，就會(huì)阻斷體液與核心的接觸，從而減弱電信號(hào)強(qiáng)度—信號(hào)強(qiáng)弱即反映維生素C"的含量。

“這個(gè)核心至關(guān)重要。”高偉強(qiáng)調(diào)，“六氰基鐵酸鎳核心即使在生物體液中也能保持高度穩(wěn)定性，使這些傳感器非常適合長期監(jiān)測。”

這種核殼納米顆粒具有高度通用性，通過在同一陣列中使用多種納米顆粒“墨水”，可打印出能同時(shí)監(jiān)測汗液或體液中多種氨基酸、代謝物、激素或藥物水平的傳感器陣列。在研究中，研究人員將結(jié)合維生素"C 的納米顆粒與結(jié)合色氨酸、肌酐（評(píng)估腎功能的重要標(biāo)志物）的納米顆粒集成于單個(gè)傳感器，這種傳感器已針對(duì)新冠長期癥狀患者開展研究。

研究團(tuán)隊(duì)還開發(fā)了針對(duì)三種抗癌藥物的納米粒子傳感器，并在希望之城醫(yī)療中心的癌癥患者身上進(jìn)行測試。“我們實(shí)現(xiàn)了遠(yuǎn)程實(shí)時(shí)監(jiān)測體內(nèi)抗癌藥物濃度，這為癌癥及其他疾病的個(gè)性化給藥指明了方向。”高偉表示。

研究還表明，該納米顆粒可用于打印可植入皮下的傳感器，以精確監(jiān)測體內(nèi)藥物水平。

據(jù)悉，論文第一作者為加州理工學(xué)院的王敏強(qiáng)博士和葉萃博士。

（編譯自美國加州理工學(xué)院網(wǎng)站）

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據(jù)報(bào)道，王敏強(qiáng)博士和葉萃博士已于2025"年初加入上海交通大學(xué)。王敏強(qiáng)博士現(xiàn)為上海交通大學(xué)溥淵未來技術(shù)學(xué)院長聘教軌副教授、博士生導(dǎo)師；葉萃博士則為上海交通大學(xué)公共衛(wèi)生學(xué)院研究員，同時(shí)作為學(xué)科帶頭人組建“柔性傳感與主動(dòng)健康”實(shí)驗(yàn)室。