可打印的分子选择性纳米粒子使可穿戴生物传感器的大规模生产成为可能

医学的未来很可能在于医疗保健的个性化——准确了解个人的需求，然后在必要时提供适当的营养素、代谢物和药物组合，以稳定和改善他们的病情。为了实现这一目标，医生首先需要一种持续测量和监测某些健康生物标志物的方法

为此，加州理工学院的一个工程师团队开发了一种喷墨打印特殊纳米粒子阵列的技术，可以大规模生产持久耐用的可穿戴汗液传感器。这些传感器可用于实时监测各种生物标志物，如维生素、激素、代谢物和药物，为患者及其医生提供持续跟踪这些分子水平变化的能力

在加利福尼亚州杜阿尔特的希望之城，包含新纳米颗粒的可穿戴生物传感器已成功用于监测长期新冠肺炎患者的代谢物和癌症患者的化疗药物水平

加州理工学院Andrew and Peggy Cherng医学工程系医学工程教授Wei Gao说：“这只是可能的两个例子。”

“有许多慢性疾病及其生物标志物，这些传感器现在让我们有可能连续无创地监测，”高说，他是《自然材料》杂志上一篇描述这项新技术的论文的通讯作者

高和他的团队将纳米粒子描述为核壳立方纳米粒子。立方体是在包含研究人员想要追踪的分子（例如维生素C）的溶液中形成的。当单体自发组装形成聚合物时，目标分子——维生素C——被困在立方体纳米粒子中

接下来，使用溶剂专门去除维生素C分子，留下一个分子印迹聚合物外壳，上面点缀着形状与维生素C分子完全匹配的孔——类似于选择性识别特定分子形状的人工抗体

重要的是，在这项新研究中，研究人员将这些特殊形成的聚合物与由铁氰化镍（NiHCF）制成的纳米粒子核心结合在一起。当与人体汗液或其他体液接触时，这种材料在施加的电压下会被氧化或还原

回到维生素C的例子，只要维生素C形状的孔未被占用，流体就会与NiHCF核心接触，这将产生电信号

然而，当维生素C分子与聚合物接触时，它们会滑入这些孔中，从而防止汗液或其他体液与核心接触。这会减弱电信号。因此，电信号的强度揭示了维生素C的含量

“这个核心至关重要。铁氰化镍核心非常稳定，即使在生物体液中也是如此，使这些传感器成为长期测量的理想选择，”高说，他也是传统医学研究所的研究员，也是罗纳德和乔安妮·威伦斯学者

新型核壳纳米粒子用途广泛，可用于打印传感器阵列，只需在单个阵列中使用多个纳米粒子“墨水”，即可测量汗液或体液中多种氨基酸、代谢物、激素或药物的水平

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例如，在论文中描述的工作中，研究人员打印出了与维生素C结合的纳米粒子，以及与氨基酸色氨酸和肌酐结合的其他纳米粒子，这是一种通常用于观察肾脏工作情况的生物标志物

所有纳米粒子都被组合成一个传感器，然后大规模生产。这三种分子在长期新冠肺炎患者的研究中具有重要意义

同样，研究人员在单独的传感器上打印出了基于纳米颗粒的可穿戴传感器，这些传感器对三种不同的抗癌药物具有特异性，然后在希望之城的癌症患者身上进行了测试

“证明了这项技术的潜力，我们能够在任何特定时间远程监测体内癌症药物的量，”高说。“这不仅为癌症，也为许多其他疾病的剂量个性化目标指明了方向。”

在论文中，该团队还表明，纳米颗粒可以用于打印传感器，这些传感器可以植入皮肤下方，以精确监测体内的药物水平 More information: Printable molecule-selective core–shell nanoparticles for wearable and implantable sensing, Nature Materials (2025). DOI: 10.1038/s41563-024-02096-4. nature.com/articles/s41563-024-02096-4

Journal information: Nature Materials