Nature Materials：核壳纳米颗粒，可打印！

奇物论 · 公众号 · · 2025-02-04 21:15

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研究背景

依据患者情形调整治疗方案的做法可以追溯至古希腊的希波克拉底，然而随着新诊断技术的成长，精准医疗在21世纪才逐渐被人们所重视并得到了进一步发展。而实时、精准监测健康相关生物分子作为了解病情的首要条件，在精准医疗中扮演着至关重要的角色。然而，现有技术对几乎所有生物分子的检测都需要通过浸入性抽血的方式实现。此外，精准医疗对生物分子的监测具有非常强的时间敏感性，传统的抽血方式通常需要几个小时甚至更长时间来获取结果，此类方法无法实现实时干预并进行精准治疗。最后，现有检测方法费用高、可及性差（一些地区可能没有足够的医疗资源来进行广泛的监测）。人体汗液或组织间隙液富含个体生理状态密切相关的化学物质，为无创或微创实时监测健康状况提供了契机。穿戴式及植入式生物传感器不仅能够实现连续、实时地监测人体内的多种生物标志物，例如维生素、氨基酸、代谢物和药物浓度，而且能够提供个性化健康管理的解决方案，辅助及时发现潜在的健康问题，以进行早期干预。此外，此类传感器能够大幅减少传统诊断方法中的延迟和成本，通过便捷的非侵入式监测方式，实现精准医学的发展。然而，此类设备的普及仍面临着目标分子检测有限、操作稳定性差以及生产可扩展性差等一系列挑战。

加州理工学院高伟（Wei Gao）教授课题组 从2017年实验室建立至今，重点关注无创动态健康监测，为精准无创监测提供了若干解决方案（ Science , 2024, 385, 954-961. Nature Nanotechnology , 2024, 19, 330-337. Nature Electronics , 2024, 7, 168-179. Nature Biomedical Engineering , 2023, 7, 1293–1306. Nature Biomedical Engineering , 2022, 6, 1225–1235. Nature Biotechnology , 2020, 38, 217-224 . ）。其发表在 Nature Biomedical Engineering , 2022, 6, 1225–1235 . 的工作独创性地将分子印迹聚合物引入可穿戴汗液传感设备中，同时构筑了原位汗液收集及分析系统，实现了汗液中多种维生素的实时动态监测。

在本期发表在Nature Materials的研究型文章 “Printable molecule-selective core-shell nanoparticles for wearable and implantable sensing” 中，高伟教授课题组着眼目前穿戴式及植入式传感器面临的主要挑战（即目标分子检测有限、操作稳定性差以及生产可扩展性差）。首次提出了可打印、溶液合成的核壳纳米颗粒，通过分子印刷聚合物壳层的分子识别功能和具有高度稳定的电化学信号转导能力的镍六氰氟酸盐核心，提供了多重功能。此类纳米颗粒不仅能够实现目标分子的定制性识别，并且能够在生物体液中稳定工作，尤其适用于长时间运行的可穿戴和植入式传感器。通过一站式喷墨打印和计算优化的纳米颗粒墨水配方，展示了此类技术在大规模生产中具有良好的可行性，为实时监测广泛生物标志物（如氨基酸、维生素、代谢物和治疗药物）提供了可能。值得一提的是此项工作的两位共同一作王敏强博士和叶萃近期双双加盟上海交通大学。

技术亮点

图1. 可打印的分子选择性核壳纳米粒子用于可穿戴和植入式生物传感器.

1. 集成化的小型化系统：实现了一体化的小型化穿戴式和植入式传感系统，可以在长时间内、在各种活动中对生理状态及生物标志物进行精确监测。通过局部汗液刺激、微流控神经反射汗液采样及传感器在线校准等一系列协调操作，实现了高时间分辨率和准确度的监测。

图2. 靶标识别与信号转导双功能核壳纳米粒子的设计与表征.

2. 创新的纳米工程设计：首次提出了一种核壳结构的纳米粒子，外层为分子印迹聚合物，模拟“人工抗体”以特异性结合目标分子；内核则为具有还原活性的普鲁士蓝类似物，能够生成可测量的电化学信号，用于标志物检测。

图3. 基于完全喷墨打印的MIP/NiHCF纳米粒子电化学生物传感器的表征.

3. 普适性的制造方法：提出了一种普适性的生产工艺，能够实现高度稳定、具备高灵敏度和高选择性的便携式和植入式生物传感器，广泛适用于氨基酸、维生素、代谢物、药物等多种生物标志物的检测。

图4. 基于打印的MIP/NiHCF纳米粒子生物传感器在穿戴式长期新冠和营养监测中的评估.

4. 首次应用与长期新冠患者健康管理：利用该穿戴式平台，首次实现了基于体内营养物质和代谢物水平的长期新冠患者健康管理评估，为新冠后遗症（Long COVID）的监测提供了解决方案。

图5. 基于可穿戴和植入式MIP/NiHCF纳米粒子生物传感器的实时治疗药物监测评估.

5. 癌症患者实时药物监测及动物模型药代动力学研究：该平台能够实时监测癌症患者的治疗药物水平，并通过植入式平台进行药物的药代动力学/药效学研究，推动了个性化治疗的进步。

6. 可重构性和广泛的应用前景：该方法具有高度可重构性，能够连续监测多种生物标志物，如蛋白质、激素、脂质和药物，进一步拓展了个性化预防、诊断和治疗应用的可能性。

总结与展望

通过此项技术，作者突破了传统可穿戴和植入式传感器在稳定性、生产成本和应用领域上的限制，为个性化健康监测和精准医学的发展提供了强有力的支持。未来，随着技术的进一步发展，这项技术将为更多的健康监测需求提供便捷、高效和长期稳定的解决方案，推动精准医学进入新的时代。

原文链接： https://www.nature.com/articles/s41563-024-02096-4

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Nature Materials：核壳纳米颗粒，可打印！

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