综述：用于生物标志物检测的静电纺丝生物传感器
2024-02-07 20:53:48 来源：麦姆斯咨询 评论：0 点击：
静电纺丝技术是一种先进的纳米纤维制造技术，广泛应用于生物医学领域，为通过生物传感器检测重大疾病提供了新的机遇。
基于微纳技术的生物传感器具有灵敏度高、特异性好、实时监测能力强、便携性好等优点，在医学诊断、生物医学研究和生物监测等领域发挥着至关重要的作用。它们可用于检测和分析各种疾病生物标志物，如癌症、心血管疾病和神经系统疾病等。近年来，关于用于检测疾病生物标志物的生物传感器的综述不胜枚举。然而，在检测浓度较低的生物标志物时，生物传感器需要具有更高的灵敏度。此外，当疾病中同时存在多种不同的生物标志物时，确保生物传感器对特定生物标志物具有高灵敏度和特异性，同时排除其它生物标志物的干扰，也是一项重大挑战。
基于静电纺丝（ES）纳米纤维的生物传感器在生物标志物检测领域有着广泛的应用。纳米纤维具有多孔性、高比表面积和高负载能力等优点，在固定识别元件、直接与目标分析物相互作用、增强抗体固定化以及提高生物分子的活性和寿命方面发挥着重要作用，从而使得主要疾病生物标志物的高灵敏度和选择性检测成为可能。
据麦姆斯咨询报道，近期，来自中原工学院的研究人员在Colloid and Interface Science Communications期刊上发表了题为“Electrospun biosensors for biomarker detection”的综述性论文。论文从静电纺丝生物传感器入手，首先概述了静电纺丝生物传感器纤维的结构和制造方法。随后，论文综述了用于生物标志物检测的静电纺丝生物传感器的物理和化学特性以及其生物识别元件的固定化方法。接着，论文简要总结了生物标志物检测领域的最新研究进展。然后，根据生物医学分类，论文总结了静电纺丝生物传感器在癌症、心血管疾病、神经系统疾病、代谢和感染等方面的应用。最后，论文强调了静电纺丝生物传感器在生物标志物检测方面面临的挑战，并展望了未来的发展方向。
图1 不同结构的静电纺丝（ES）纤维的光学图像
图2 （a）碳纳米线传感器制造工艺；（b）用于肌红蛋白检测的多壁碳纳米管（MWNCT）嵌入式SU-8示意图；（c）寨卡病毒（ZIKV）捕获和洗脱过程；（d）巯基丙酸（MPA）自组装固定化HRP2抗体过程。
图3 （a）铜（Cu）/聚（偏氟乙烯-三氟乙烯）（P(VDF-TrFE)）纤维的静电纺丝制造以及纱线和织物的实物图像；（b）贴片式脉冲监测传感器的工作原理。
总体而言，静电纺丝技术是一种先进的纳米纤维制造技术，广泛应用于生物医学领域，为通过生物传感器检测重大疾病提供了新的机遇。然而，在推进静电纺丝生物传感器应用的过程中，也面临着相应的挑战：（1）灵敏度：生物标志物的检测越来越依赖于纳米技术，因此有必要开发出新的纳米材料，以满足生物标志物检测对更高灵敏度的需求。（2）尺寸、纤维形态控制：虽然静电纺丝在生产纳米纤维方面具有优势，但可能会存在尺寸分布不均匀的问题。此外，纤维的形态和结构是优化生物传感器性能的关键，对生物传感器性能和精度的提高有重要影响。（3）纤维刚性：一些高性能材料可能无法满足静电纺丝的要求，或者生产出来的纤维无法满足实际应用的需要，在这种情况下，可以采取相应优化措施，例如，可以通过掺杂聚合物来实现刚性要求。（4）优化实验条件，改进样品制造工艺，消除外部干扰因素是提高传感器性能的关键。（5）成本：研究中使用的试剂和材料可能需要高纯度和特殊的制造方法，从而可能导致成本增加。（6）生物相容性：疾病生物标志物的检测往往涉及人体内的细胞、组织、器官等。因此，对材料的生物相容性必须有严格的要求。
就未来前景而言，纳米纤维静电纺丝生物传感器仍具有巨大的潜力，包括：（1）新材料的开发：制造新的纳米材料，以提高传感器的灵敏度和生物标志物检测的特异性，并降低检测限（预期增强因子在1 ~ 8个数量级）。（2）多重标志物检测：单个标志物检测虽然会受到各种外部因素的影响，但已经取得了巨大的成功。研究人员已经克服了诸多限制，在未来，多重标志物检测有望成为研究热点。（3）提高通信速度：加快数据传输和检测速度，实现远程医疗监测。（4）整合到可穿戴设备中：将静电纺丝生物传感器整合到日常可穿戴设备中，实现对人体生物标志物的实时监测。此外，现有的静电纺丝传感平台有望实现商业化，用于检测临床相关疾病，包括一些疑难杂症。
综上所述，尽管静电纺丝生物传感器在应用中面临一些挑战，但其仍具有广泛的应用前景。未来，静电纺丝生物传感器的发展重心将集中在其高灵敏度、高通量、高特异性、多重检测和智能便携性的实现上。
论文链接：https://doi.org/10.1016/j.colcom.2024.100767
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