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  近日，復(fù)旦大學高分子科學系彭慧勝教授、孫雪梅副教授，生命科學學院俞洪波教授，航空航天系徐凡教授等多學科團隊緊密合作，提出并發(fā)展得到一種可注射的纖維狀生物傳感器。這類新型纖維狀生物傳感器具有穩(wěn)定的電化學性能、與組織相匹配的力學性能、優(yōu)異的生物相容性和生物整合性，能夠?qū)崿F(xiàn)對體內(nèi)多種化學物質(zhì)進行長期、實時監(jiān)測。10月28日，該項研究成果以《螺旋碳納米管纖維電化學傳感器實現(xiàn)了多種疾病標記物的長期體內(nèi)監(jiān)測》（“Functionalized helical fibre bundles of carbon nanotubes as electrochemical sensors for long-term in vivo monitoring of multiple disease biomarkers”）為題，在線發(fā)表于《自然-生物醫(yī)學工程》（Nature Biomedical Engineering）雜志。

  隨著醫(yī)療技術(shù)的發(fā)展和疾病防治重視程度的提高，個人生理信息的實時監(jiān)測及其帶來的個體化醫(yī)療受到關(guān)注。而電化學生物傳感器是一類可以將化學信號轉(zhuǎn)化成電信號的裝置，可用于檢測特定化學物質(zhì)的信號，在可穿戴醫(yī)療等領(lǐng)域有著廣泛應(yīng)用。

  然而，不論是現(xiàn)有的體外電化學傳感器還是植入式傳感器都存在一定的應(yīng)用限制。據(jù)介紹，現(xiàn)有的體外電化學傳感器多將汗液、尿液作檢測媒介。由于這些媒介不能連續(xù)存在，成分單一且檢測不準確，往往會限制監(jiān)測的連續(xù)性、準確性和多元化。相較而言，盡管現(xiàn)有的可植入式傳感器以體液作媒介，可以準確、實時檢測人體中的生理信號，為人們提供及時的健康信息，卻也仍會有因其材料本身模量大，而存在的剛性器件和柔軟組織間的重復(fù)機械損傷問題。另外，現(xiàn)有植入式器件基于二維平面結(jié)構(gòu)設(shè)計，植入方法主要基于傳統(tǒng)手術(shù)，很難實現(xiàn)微創(chuàng)的植入，導致難以和組織形成穩(wěn)定界面，無法實現(xiàn)長期和準確的檢測，亦會影響到信號采集和生物安全。

  面對上述問題，復(fù)旦大學研究團隊通過仿生肌肉結(jié)構(gòu)的方法，設(shè)計了具有多級螺旋結(jié)構(gòu)的纖維狀電化學傳感器。團隊通過力學模擬和納米壓痕實驗證明碳納米管纖維相對傳統(tǒng)的植入材料如金絲或聚二甲基硅氧烷等具有更低的彎曲內(nèi)應(yīng)力，且其抗彎剛度相對于其他傳統(tǒng)植入材料更接近柔軟的組織，并借鑒傳統(tǒng)靜脈注射方法，利用與纖維一維結(jié)構(gòu)相適應(yīng)的注射方法，將纖維狀傳感器準確植入至目標區(qū)域，纖維在體外的形態(tài)類似于動物毛發(fā)貼附在皮膚表面。通過細胞實驗及組織切片，該纖維在注射后沒有使動物產(chǎn)生炎癥反應(yīng)和疤痕，并且與周圍組織結(jié)合良好，證明了纖維傳感器具有優(yōu)異的生物相容性和生物整合性。

附圖一，多級螺旋碳納米管纖維。a，肌肉多級螺旋結(jié)構(gòu)示意圖；b，多壁碳納米管纖維的透射電鏡圖，標尺：3nm；c，單根碳納米管纖維的掃描電鏡圖，標尺：6μm；d，多根碳納米管纖維的掃描電鏡圖，標尺：20μm；e和f，纖維器件植入到腫瘤和血管的示意圖；g，纖維器件植入后在皮膚表面形態(tài)，標尺：500μm。

  生物體內(nèi)的化學物質(zhì)種類繁多且分布不均，為滿足實際檢測的需求，研究團隊還設(shè)計了具有軸向或者徑向結(jié)構(gòu)的多級纖維狀傳感器，分別可以實現(xiàn)在不同位點對同一物質(zhì)的分布進行檢測（如腫瘤中過氧化氫的分布）或者在同一位點對不同種類的化學物質(zhì)進行檢測（如血液中的鈣離子和葡萄糖）。以血糖和血鈣的檢測為例，纖維狀傳感器可以對血管內(nèi)鈣離子和葡萄糖進行實時監(jiān)測，得到的結(jié)果和商用傳統(tǒng)檢測方法相比效果良好。

附圖二，多級螺旋纖維狀傳感器的結(jié)構(gòu)示意圖。a，軸向分布用于不同位點對同一物質(zhì)的分布進行檢測；b，徑向分布用于同一位點對不同種類的化學物質(zhì)進行檢測。標尺：50μm。

  據(jù)介紹，這項工作在生物電子學領(lǐng)域發(fā)展出一個新的方向。通過集成電路、藍牙和相應(yīng)軟件，利用該器件將可遠程對生理數(shù)據(jù)進行實時采集。且器件可以在血管中穩(wěn)定工作四周。

  復(fù)旦大學高分子科學系博士研究生王立媛、解松林，生命科學學院本科生王志遠為論文共同第一作者，孫雪梅、徐凡、俞洪波、彭慧勝為共同通訊作者，該研究得到科技部、國家自然科學基金、上海市科委、上海市教委等的資助。

  論文鏈接：https://www.nature.com/articles/s41551-019-0462-8