柔性光学皮肤贴片传感器，实现超微量生物流体的时空分子追踪
2025-04-13 21:04:20 来源：麦姆斯咨询 评论：0 点击：
研究人员开发了一种集成光学纳米传感器的3D微结构贴片，可直接从动态来源对超微量流体进行实时、多变量分子追踪。灵感源自青蛙趾垫上的微图案，由微流体通道包围的六边形表面可将表面流体引入通道，六边形表面上的柔软层可提供稳定的保形粘附。
追踪离子、小分子、核酸、脂质和蛋白质等化学和生物分子是无创评估健康状况、化学平衡、疾病检测及监测的关键。这些分析物的大小、浓度和体积差异很大，因此，对于追踪这些源自不同动态复杂生物表面的分子来说，微流体管理非常重要。
为了实现有效的分子追踪，需要灵敏且具有选择性的传感器，能够从动态来源中提取一定数量和流速的样本。追踪这些微量分析物，特别是纳米级到微升级的分析物，对于精准医疗、早期诊断和痕量化合物富集都很有价值。具有分子识别能力的纳米传感器，可以利用光、电或机械特性捕获实时信号。特别是由量子点（QD）、碳点和单壁碳纳米管（SWCNT）组成的光学纳米传感器，甚至可以在单分子水平上通过荧光或吸收变化提供分子信息。然而，当这些传感器集成到大尺寸设备中时，它们分析不同体积和流速样本的能力会受到限制。
为解决这些问题，必须将定制的纳米探针集成到系统设计的3D界面中，以实现高效的样本捕获。因此，需要创新的分析组件来有效吸收和测量微量液体，通过保形接触确保稳定的粘附性，并与生物表面相容，以捕获微量液体的不规则分泌物，同时提高纳米传感器的效率和便携性。
迄今为止，研究人员已开发出在皮肤界面贴装传感器的技术，以捕捉和分析生物流体。为实现这一目标，可捕获生物流体的多层组件已与可识别并分析电子信号或颜色的传感器相结合，以促进有效诊断。尽管取得了一些令人瞩目的进展，但要开发出整合收集层和传感层，并可快速收集、同时检测微量生物流体的器件，仍然存在挑战。此外，通过用单个生物流体捕获传感层实现整体制造，并开发一种能够可逆地粘附在人体皮肤上而不会产生刺激的粘合基底，可以最大限度地提高皮肤可粘附生物传感平台的易用性和经济效益。
据麦姆斯咨询介绍，为了应对这一挑战，韩国成均馆大学的研究人员开发了一种集成光学纳米传感器的3D微结构贴片（3D MIN），可直接从动态来源对超微量流体进行实时、多变量分子追踪。灵感源自青蛙趾垫上的微图案，由微流体通道包围的六边形表面可将表面流体引入通道，六边形表面上的柔软层可提供稳定的保形粘附，即使在不规则的动态生物表面上也不会刺激皮肤。对于3D MIN中的光学探针，研究人员合成了具有选择性分子识别能力的近红外（NIR）荧光SWCNT纳米传感器，并将传感器嵌入水凝胶层。这种集成方式有助于以较低的流速快速捕获超微量流体，并确保在粗糙的动态表面上稳定地采集样本。通过利用3D MIN中纳米传感器阵列的选择性和高灵敏分子识别能力，研究人员利用该贴片对生物流体进行了远程实时的多变量、时空分子追踪。
集成光学纳米传感器的3D微结构贴片（3D MIN）
灵感源自大自然的3D MIN
研究人员的灵感来自于树蛙趾垫上的六边形上皮细胞。这些趾垫由坚硬的支柱支撑，表面覆盖弹性模量约为25 kPa的柔软材料，这使它们很容易贴合潮湿和不规则的表面。通过模仿树蛙趾垫的功能，研究人员设计了一种3D MIN，以增强粗糙和潮湿表面的表面接触，并将界面之间的液体有效引入内部微流体通道。由于软粘合结构基底和捕获传感层是整体制造的，引入的液体很容易被含纳米传感器的水凝胶（纳米传感器/水凝胶）捕获。坚固的粘附界面具有六边形排列的3D微流体通道，其表面有一层软PDMS（s-PDMS）涂层。界面上的目标液体在强大的毛细管力作用下通过六边形通道的凹槽有效排出并捕获。
用于3D MIN集成的DNA/SWCNT纳米传感器库
3D MIN的引流和流体捕获特性
为了证明3D MIN的流体捕获特性，研究人员制备了不含水凝胶（3D MIN w/o hydrogel）和含水凝胶（3D MIN w/hydrogel）的表面。研究人员研究了3D MIN w/o hydrogel毛细管驱动的液体引流，其效果受到液体与基底之间分离高度（h）的影响。
3D MIN的引流和纳米流体的捕获能力
总结来说，在这项研究中，研究人员将光学纳米传感器与3D微结构界面进行了单片集成，用于对超微量流体进行实时时空分子追踪。受树蛙趾垫的启发，研究人员设计了这种3D MIN外形，其六边形排列的3D支柱上涂覆s-PDMS和微流体通道，无需预加载即可在0.25 ms内同时高效地捕获并感知生物流体，即使在潮湿的生物表面上也有很强的附着力。通过与粗糙表面的保形接触，3D MIN实现了高达73%的高适应性和稳定的粘附性，在干燥和潮湿粗糙基底上的剪切强度分别为15.4 kPa和11.3 kPa。
通过3D MIN对超微量流体进行时空分子追踪
在追踪应用方面，研究人员合成了具有分子识别能力的20 x 15 DNA/SWCNT纳米传感器阵列，并选择了四种特定的纳米传感器来追踪微量人体汗液中的关键生物标志物（维生素B2、B6、B9和皮质醇）。3D MIN能够在0.1 µL/min·cm²的流速下，在45 s内快速检测75 nL的汗液。
研究人员展示了多阵列配置同时检测这些指标的潜力，进而提供独特的分子指纹。研究人员展示了在前额有效使用3D MIN实时采集和分析人体汗液，而无需运动或离子渗透。其光学纳米传感器发出的所有近红外辐射都是通过一个独立的摄像头测量的，从而实现了1 cm范围内的原位、实时、高时空分辨率传感，而无需额外的附件。这种传感器外形为最大限度地发挥SWCNT纳米传感器和其它各种光学探针的传感特性提供了机遇。
论文链接：https://doi.org/10.1038/s41467-025-58425-x
延伸阅读：