《Acc. Mater. Res.》复旦大学孙雪梅/彭慧胜:可植入碳纳米管纤维高分子生物传感器

【概论】

植入式生物传感器 代表了快速发展的方向，在生物技术和生命科学中具有广泛的应用。例如，大脑中神经递质的检测由于其对神经活动的重要作用而引起了广泛的关注。体内化学物质的急性检测已经发展了数十年，但是关于化学物质的体内慢性监测的报道很少，可能是由于两个原因。首先，很难在生物传感器和组织之间形成稳定的界面。具体而言，大多数可植入生物传感器都基于诸如碳纤维之类的硬质电极材料，其模量比生物软组织的模量高几个数量级。它们之间的机械失配将在慢性应用中引起严重的炎症反应。尽管一些具有由聚合物，金属和聚合物复合纤维组成的网格几何形状的柔性神经探针已用于慢性电生理记录，但很少用于化学物质的长期监测。其次，与功能材料的降解和结垢有关的电极劣化使得在动态环境中难以进行化学识别。通常，生物传感器通常需要用包括识别层的几种功能材料进行修改，以便从各种非目标化学物中识别出特定的化学物质。虽然据报道具有高表面积的纳米材料可增强识别层的负载和固定化，从而提高生物传感器的灵敏度，但很少使用具有高比表面积的纳米结构和软微电极来长期监测体内化学物质。

【科研摘要】

最近， 复旦大学 孙雪梅 /彭慧胜 教授团队 重点介绍了基于碳纳米管（ CNT）纤维的柔性和小型化可植入纤维生物传感器的工作，以实现体内稳定的界面。 相关论文题为 Implantable Fiber Biosensors Based on Carbon Nanotubes 发表在《 Accounts of Materials Research 》上。作者 首先 总结CNT纤维电极的组装结构及其机械，电，电化学和生物相容性。 然后，介绍了 通过使用不同的识别材料修饰CNT纤维来检测体内多种化学物质的纤维生物传感器家族。 之后，描述了具有 更高灵敏度和更低检测限的多合一纤维有机电化学晶体管， 旨在检测低浓度的化学物质并追踪大脑深处的变化。最后，考虑到软植入的生物传感器很难在没有帮助的情况下进行植入， 引入了具有可变模量的神经探针，可以直接植入小鼠脑中 并与脑组织形成稳定的界面。 三种纤维生物传感器都是柔软的，具有与生物组织相匹配的机械性能，在变形下保持稳定，并在长期体内应用中显示出很高的生物相容性。最后，简要介绍了该领域的挑战和前景。

【图文解析】

1.介绍

在此概论中，基于碳纳米管（ CNT）的组装，开发了可模仿组织的分层结构的柔性可植入纤维生物传感器，用于进行慢性化学监测（ 示意图 1）。组装的CNT纤维在大比表面积下显示出高柔韧性和生物相容性。然后，通过将CNT纤维与不同的活性材料结合在一起，开发了一系列纤维生物传感器，以检测多种化学物质，包括代谢物，离子和蛋白质。它们可以在体内稳定工作4周。为了进一步提高灵敏度和检测极限，将有机电化学晶体管（OECT）引入可植入纤维的生物传感器中，以在检测具有痕量变化的化学物质时放大信号。由于纤维生物传感器太软而无法直接植入，因 此最终提出了一种具有可变弹性模量的软纤维传感器。纤维传感器的硬度足以直接植入，并且在植入后模量降低到接近组织，形成稳定的界面。

示意图 1.基于CNT的可植入纤维生物传感器： （a）由CNT分层组装的CNT纤维；（b）由碳纳米管纤维作为电极，识别层和从核到壳的绝缘层组成的纤维生物传感器；（c）在深部组织中植入纤维生物传感器以形成稳定的界面，用于化学物质的长期监测 。

2. CNT纤维电极的组装和性能

作为纤维电子生物传感器的关键组件，纤维电极应具有机械柔韧性和高导电性。 此外，对于可植入的纤维生物传感器，纤维电极的柔韧性应与软组织匹配，以形成稳定的电子-组织界面。请注意，事实上，柔软的生物组织（如肌肉）实际上是由胶原纤维按层次组装而成的，因此，在使用CNT作为基本构件时，已经在模仿这种独特的结构方面制作了柔性纤维电极。碳纳米管的直径为几纳米到几十纳米，长度为几百微米（图1a），首先被组装成直径为几百到几百微米的连续纤维（图1b），然后加捻成分层的螺旋纤维（图1c）。

图 1. CNT纤维电极的制造和性能。 （a）多层CNT的透射电子显微镜图像。（b）初级CNT纤维的扫描电子显微镜图像。（c）分层螺旋CNT纤维的扫描电子显微镜图像。（d）CNT纤维的结的扫描电子显微镜图像。（e）CNT纤维，软组织和其他可植入材料的弯曲刚度。（f）和（g）在CNT（f）和玻璃（g）上培养5天的L929细胞的共聚焦照片合并。活细胞显示为红色，死细胞显示为蓝色。（h）和（i）植入CNT纤维（h）21天后和未植入对照组（i）的对照组的猫肌肉的H＆E染色。

3.用于体内慢性化学物质检测的纤维电化学生物传感器

由于具有出色的机械，电气，电化学和生物相容性， CNT纤维被用于通过对神经递质，离子，营养和代谢产物进行修饰，并通过不同的功能层来制造各种纤维电化学生物传感器。电化学生物传感器通常由电极，识别层和绝缘层组成。具体而言，对于Ca 2+ 电化学生物传感器，将聚（3,4-乙撑二氧噻吩）：聚（苯乙烯磺酸盐）（PEDOT：PSS）和Ca 2+ 选择性膜作为识别层依次涂在CNT纤维电极上（图2a）。使用Ca 2+ 电解质，Ca 2+ 电化学生物传感器的检测范围为0.5至2.5 mM，它具有适当的选择性和灵敏度，约为4.0 mV·mM -1 （图2b）。诸如用于K + 和Na + 的其他离子电化学生物传感器可以通过类似的方法来制造。以酶促葡萄糖电化学生物传感器为例，它由CNT纤维，Pt纳米颗粒，聚苯胺，葡萄糖氧化酶和Nafion组成，形成多层结构（图2c）。带负电的干扰物（例如抗坏血酸和尿酸）被带负电的Nafion层所阻挡。葡萄糖生物传感器的工作范围为2.5–7.0 mM，与血液中的葡萄糖水平相匹配（图2d）。

图 2.纤维电化学生物传感器在体外和体内的性能。 （a）Ca 2+ 电化学生物传感器的结构示意图。（b）纤维生物传感器对Ca 2+ 浓度的开路电势响应。（c）葡萄糖电化学生物传感器的示意性结构。（d）纤维生物传感器对葡萄糖浓度的计时安培响应。（e）在实时监测过程中从采集的血液样本中异位检测Ca2 +，并从植入的纤维生物传感器中获取体内读数。（f）在实时监测过程中从采集的血液样本中异位检测葡萄糖，并从植入的纤维生物传感器中获取体内读数。（g）–（j）在植入28天期间的不同时间通过纤维生物传感器检测体内的Ca 2+ 。

4.光纤OECT用于体内生物化学的高灵敏度检测

如上所述，柔性且小型化的纤维生物传感器可以在体内工作。但是，随着生物传感器变得越来越灵活和更小，它们的有源区域也越来越小，这增加了它们的阻抗并降低了它们的信噪比，从而导致传感性能下降。此外，某些重要的化学物质（例如谷氨酸和多巴胺）在体内的碱性浓度较低且变化很小。因此，开发具有更高灵敏度和更低检测限的光纤生物传感器非常重要。

OECT可以原位放大电信号，因此它成为体内检测生物化学物质的合适人选。但是，在深层组织中几乎没有用于化学检测的OECT，可能是由于OECT与组织之间的机械不匹配所致。为了解决这个问题，实现了具有多合一结构的柔性光纤OECT系列（图3a）。OECT的直径约为150μm，与人发的直径相似。将改性的CNT纤维设计为栅电极，将PEDOT：PSS用作通道。栅电极可以将微小的电势信号转换为在通道中流动的大电流变化，从而实现所需的放大倍数。光纤OECT通过使用相应的活性材料修饰CNT光纤门的末端，可以检 测不同的化学物质，例如过氧化氢，多巴胺，谷氨酸和葡萄糖。用于各种化学品的所有光纤 OECT均显示出可靠的性能。例如，多巴胺的检出限达到5 nM，适用于体内检测（图3b）。对于葡萄糖检测，与上述非OECT结构的纤维生物传感器相比，光纤OECT生物传感器表现出更高的灵敏度和更低的100 nM检测限（图3c）。

图 3.用于生化检测的光纤OECT。 （a）光纤OECT的示意图结构。（b）对于多巴胺，纤维OECT的多巴胺浓度对漏极电流的响应（插图，代表线性范围）。（c）漏极电流对光纤OECT的葡萄糖浓度（葡萄糖，代表线性范围）的响应。（d）和（e）植入了OECT纤维的小鼠大脑的示意图和照片。（f）和（g）植入了OECT纤维7天的大脑切片的代表性合并荧光照片（f）和未植入纤维的对照组的代表性合并荧光照片（g）。蓝色为DNA染色。绿色为神经元染色。红色表示胶质纤维酸性蛋白染色。光纤OECT的位置用白色虚线表 示。 （h）–（j）通过光纤OECT在同一只小鼠中检测体内多巴胺达7天。

5.光纤探针具有可变弹性模量，可直接植入

尽管柔性纤维生物传感器可以与组织形成稳定的界面以进行精确检测，但它们太软而无法直接植入。 相比之下，刚性探针很容易植入软组织中，但是刚性探针和软组织之间的界面在机械和生物学上都不稳定，这会导致组织损伤并因此产生异物反应（图4a）。因此，刚性辅助材料对于柔性生物传感器的植入是必不可少的。然而，刚性辅助材料将在去除辅助材料期间引起额外的组织损伤，冗长的界面恢复和软生物传感器的微动。更严重的是，当表面辅助涂层溶解于组织液中时，导致渗透压升高，从而影响了周围细胞的活动。结果，迫切需要结合刚性和软性生物传感器 的优势进行植入和传感。

图 4.具有可变弹性模量的MFNP用于直接植入和稳定的电子-大脑界面。 （a）用刚性探针直接植入大脑。机械不匹配会导致慢性使用中的炎症反应。（b）MFNP具有可变的弹性模量，可确保直接植入并在植入后变软，从而降低了神经炎症反应。（c）以CNT纤维（CNTF）作为软芯电极，交联海藻酸钠（SA）作为可变层的干燥MFNP的示意图（左）和照片（右）。（d）人工脑脑脊液中湿式MFNP的照片。（e）通过压痕测量金丝，干MFNP，湿MFNP和小鼠大脑的有效弹性模量。（f）植入小鼠大脑的MFNP的照片。（g）和（h）植入MFNP 7天的脑片的免疫组织化学合并照片（g）和未植入MFNP的对照组的免疫组织化学照片（h）。蓝色为DNA染色。绿色为神经元染色。红色表示胶质纤维酸性蛋白染色。MFNP的位置由黄色虚线圆圈表示。（i）MFNP记录的内源性活动 。

6.结论与展望

由于不稳定的生物传感器 -组织界面的挑战，可植入生物传感器已朝着柔软且微型化的纤维结构迅速发展。为了在生物传感器和组织之间形成稳定的界面，开发了三种纤维生物传感器以从不同方面解决该问题。通过模仿肌肉的分层螺旋结构，引入了基于CNT纤维的纤维电化学生物传感器家族，其具有与生物组织相似的弯曲刚度。基于一些化学物质的低浓度和深部组织痕量变化这一事实，由于OECTs固有的信号放大能力，因此引入了OECTs来生产纤维电化学生物传感器，该传感器在7天内表现出与小鼠大脑的高度生物相容性。此外，为了在软生物传感器植入过程中引 起辅助材料的副作用，创建了一种基于 CNT纤维和水凝胶的刚性可变的神经探针，可以稳定记录近一个月的电生理信号。这三种新开发的方法通过稳定的设备-组织接口为长期监控提供了有效的平台。

图 5. 植入式纤维生物传感器的外观。

尽管在植入式纤维生物传感器的开发方面取得了一些成就，但仍有很大的发展空间，尤其是在体内长期监测方面。下面总结了一些挑战和方向（图 5）。

参考文献： doi.org/10.1021/accountsmr.0c00109

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