摘要：可穿戴设备的发展已有数十年历史，最早可以追溯到20世纪60年代的Holter心脏监测仪。第一代可穿戴设备，如智能手表和穿戴电极，主要通过追踪个体的活动、心率或体温来进行生物信号监测。第二代可穿戴设备则更侧重于个性化医疗，利用皮肤贴片、手环等技术对生物体液进行定
可穿戴设备的发展已有数十年历史，最早可以追溯到20世纪60年代的Holter心脏监测仪。第一代可穿戴设备，如智能手表和穿戴电极，主要通过追踪个体的活动、心率或体温来进行生物信号监测。第二代可穿戴设备则更侧重于个性化医疗，利用皮肤贴片、手环等技术对生物体液进行定量分析，并将其转化为可检测的信号，例如已经商业化的血糖监测系统和汗液贴片 [1, 2]。然而，在实际应用中，可穿戴传感器常受到氧化还原探针和生物体液复杂性的限制，往往表现出寿命短、不稳定、可检测信号有限、信噪比不高等问题。
可穿戴汗液传感器，用于个性化医疗。图片来源：Chem. Rev. [2]
近日，美国加州理工学院高伟（Wei Gao）教授（点击查看介绍）领导的研究小组在Nature Materials 杂志上发表论文，基于“核壳结构”纳米颗粒制备的“墨水”，利用喷墨打印技术实现了柔性生物传感器的大规模生产。该传感器可用于监测多种生物标志物，包括氨基酸、维生素、代谢物和药物。可成功跟踪新冠患者的代谢水平，帮助医生分析康复趋势；并实现对癌症患者的治疗药物浓度连续监测，确保患者接受精准剂量调整。
核壳结构纳米颗粒以及打印的可穿戴生物传感器。图片来源：Nat. Mater.
研究者首先以柠檬酸盐作为螯合剂调控反应速率，合成了一系列六氰合铁酸盐（MHCF）纳米颗粒，作为氧化还原活性“核”，用于电化学信号检测。尽管 MHCF 具有良好的生物传感性能，但一定程度的水溶性导致其在模拟生理液体中稳定性较差，限制了其在可穿戴传感器和喷墨打印中的应用。为克服这一问题，研究者通过热聚合在纳米颗粒“核”表面进一步包覆一层分子印迹聚合物（MIP）“壳”，以实现对目标分子的特异性识别。当目标分子吸附到“核壳结构”纳米颗粒MIP“壳”的结合位点时，会阻碍纳米颗粒“核”与生物体液之间的电子传递，从而改变氧化还原信号。采用QuantumDock计算框架，可以筛选出MIP“壳”的最佳材料单体。例如，通过模拟计算，甲基丙烯酸对维生素C检测具有较高的灵敏度和抗干扰能力，被选为最佳单体。
核壳结构纳米颗粒的设计与表征。图片来源：Nat. Mater.
考虑到纳米颗粒的稳定性NiHCF > CoHCF > CuHCF > FeHCF，研究者选用 MIP/NiHCF 结构进行后续测试，该纳米颗粒表现出良好的生物相容性。根据溶剂的偶极矩计算，高极性溶剂能增强MIP/NiHCF纳米颗粒的偶极-偶极相互作用，因此采用乙醇/水/NMP（2:2:1）混合溶液配制墨水，可有效减少自聚集现象。纳米颗粒可直接打印在聚对苯二甲酸乙二醇酯（PET）基底上，随后90 °C条件下退火，传感器具有良好的柔性。
随后，研究者对1078个喷墨打印的MIP/NiHCF传感器进行电化学测试，微分脉冲伏安法显示，还原峰电流分布非常窄，平均峰电流仅为 611.9 ± 67.9 nA mm-1，不同制造批次的传感器均表现出一致的电极特性。此外，传感器在室温存放四个月后仍保留80%以上的灵敏度，表现出极高的稳定性，以及制造过程的高度可重复性。
基于喷墨打印MIP/NiHCF纳米粒子的电化学生物传感器。图片来源：Nat. Mater.
生物传感器可用于实时监测个体健康状况。例如，将喷墨打印的传感器集成至可穿戴式汗液贴片，对新冠患者代谢生物标志物，包括维生素C、肌酸激酶和色氨酸的非侵入式检测。其中，维生素C对免疫功能和症状缓解至关重要，肌酸激酶升高通常与疲劳、肌肉无力及肾功能受损相关，而色氨酸水平则与情绪有关。研究表明，这三种标志物在汗液与血清中的浓度具有高度相关性，其皮尔逊相关系数分别为 0.87、0.81 和 0.86，证实了汗液检测的可靠性。
全打印传感器示意图。图片来源：Nat. Mater.
与健康个体相比，新冠患者的汗液中，肌酸激酶水平显著升高，而维生素C和色氨酸水平则明显较低，这一趋势与此前血液检测的研究结果一致。此外，所有受试者在进食后，汗液中的维生素C和色氨酸浓度迅速上升，而肌酸激酶水平则基本保持稳定，表明其不受短期营养摄入的直接影响。这些结果证实了基于 MIP/NiHCF 纳米颗粒的可穿戴传感系统能够实时捕捉汗液中代谢生物标志物的动态变化，为个体化健康监测提供了新途径。
可穿戴生物传感器对新冠患者汗液中标志物实时监测。图片来源：Nat. Mater.
此外，该传感器在药物监测领域也展现出广阔的应用前景。传统的血液采样方式难以实现对患者治疗过程的实时监测，而基于 MIP/NiHCF 纳米颗粒的传感器可用于追踪抗癌免疫抑制药物（如环磷酰胺、布司通和霉酚酸）的浓度变化，以优化疗效并降低毒性，实现个性化医疗。研究人员对接受治疗的白血病患者和镰状细胞病患者进行了在体评估，结果显示，穿戴式传感器检测到的汗液药物浓度变化趋势，与血浆中的药物浓度-时间曲线高度一致。这一结果表明，可穿戴监测技术在临床管理中具有巨大潜力，为远程医疗和个性化治疗提供了新的解决方案。
可穿戴及植入式生物传感器对患者及小鼠的在体检测。图片来源：Nat. Mater.
“我们只是展示了该技术的两个潜在应用实例，许多慢性病都有相应的生物标志物，打印的传感器可能实现对患者的连续、非侵入式实时监测”，高伟教授表示，“这不仅为癌症治疗开辟了精准给药的新路径，也为许多其他疾病的个性化剂量调整提供了可能”[3]。
Printable molecule-selective core–shell nanoparticles for wearable and implantable sensing
Minqiang Wang, Cui Ye, Yiran Yang, Daniel Mukasa, Canran Wang, Changhao Xu, Jihong Min, Samuel A. Solomon, Jiaobing Tu, Guofang Shen, Songsong Tang, Tzung K. Hsiai, Zhaoping Li, Jeannine S. McCune & Wei Gao
Nat. Mater., 2025, DOI: 10.1038/s41563-024-02096-4
参考文献：
[1] H. Ceren Ates, et al. End-to-end design of wearable sensors. Nat. Rev. Mater. 2022 7, 887-907. DOI: 10.1038/s41578-022-00460-x
[2] J. Min, et al. Skin-Interfaced Wearable Sweat Sensors for Precision Medicine. Chem. Rev. 2023, 123, 5049-5138. DOI: 10.1021/acs.chemrev.2c00823
[3] Printable Molecule-Selective Nanoparticles Enable Mass Production of Wearable Biosensors
导师介绍
高伟
来源：X一MOL资讯
