武大黃衛華Angew. Chem. Int. Ed.綜述：可拉伸電化學傳感器用于細胞和組織檢測

【背景介紹】

人體內組織器官的基本生物形態和功能，如血管內血液流動、腸道蠕動和肺部呼吸運動，都涉及到動態機械力與常駐細胞之間的不斷反饋。細胞感知機械力（如拉伸張力、剪切力、劃痕和壓縮）并將其轉化為生化反應的復雜過程，稱為機械力信號轉導。盡管機械力對生物體功能起著重要調節作用，但目前對細胞將機械力刺激轉化為生物化學信息的機制仍知之甚少。因此，發展實時檢測該過程生化信號的技術，對揭示機械力信號轉導機制十分關鍵。

電化學（EC）方法因具有靈敏度高、響應速度快等優勢，已成為細胞和組織信號分子實時動態監測的重要技術之一。然而，傳統電化學傳感器為剛性硬質電極，缺乏彈性，無法順應細胞和組織形變。近年來，隨著材料和微納加工技術的飛速進步，新興柔性可拉伸電子器件得到了迅速發展，并在多個領域（尤其是可穿戴設備）展示了巨大的應用前景。然而，構建可拉伸EC傳感器仍然面臨嚴峻的挑戰：一方面，電極使用時直接暴露在生物環境中，傳感界面要求具備良好的生物相容性和耐腐蝕性；另一方面，體內細胞和組織發生機械變形較大且產生的化學信號微弱，目前發展的可穿戴式傳感器難以同時滿足大機械變形和高靈敏度的需求。因此，直到最近可拉伸電化學傳感器才在細胞和組織實時監測方面取得突破。

【成果簡介】

基于此，武漢大學劉艷玲博士與黃衛華教授總結了關于可拉伸電化學傳感器用于細胞和組織檢測方面的最新研究進展。以“Stretchable Electrochemical Sensors for Cell and Tissue Detection”發表于Angew. Chem. Int. Ed.期刊上。在本文中，作者首先總結了可拉伸電極的制備，并著重介紹了基于納米材料的電極制備策略。之后，介紹了可拉伸傳感器在機械敏感性細胞和組織實時監測中的代表性應用。最后，作者展望了可拉伸電化學傳感在細胞、組織及活體檢測中的應用可能性和面臨的挑戰。

【圖文解讀】

1、引言

2、可拉伸電極制備

到目前為止，已經發展了兩種基本策略制備可拉伸電極：基于特殊幾何結構基底和基于導電納米材料自身性質的可拉伸性。

2.1、基于結構的可拉伸電極

傳統的導電材料，如Au和Pt，由于其固有的脆性和剛性，不適合用作可拉伸電極。盡管足夠薄的薄膜電極因其彎曲剛度降低，具有較好的柔韌性，但它們的斷裂應變極限通常低于1%，遠遠不能滿足生物軟組織的較大機械應變。為了解決這一問題，人們利用具有特定幾何結構的基底制作了可拉伸電極。

圖一、用于制備可拉伸電極的典型幾何結構

（a）不同結構的可拉伸原理示意圖；

（b）蛇紋狀金結構的光學顯微照片；

（c）金納米網（厚度50nm）電極的SEM圖；

（d）正弦波結構PDMS條紋上金微帶（厚度60nm）的光學顯微鏡圖像。

2.2、基于納米材料的可拉伸電極

在過去的幾十年里，大量納米材料的涌現使得可拉伸電極制備更便利，如直接旋涂、逐層組裝、真空過濾和在彈性聚合物表面原位合成納米材料等。更為重要的是，機械力信號轉導過程中的早期信號事件通常引發極少量（如nM級別或更低水平）的生化分子，而納米材料賦予了EC傳感器優良的催化效率，進而極大地提高了其檢測靈敏度。

圖二、用于制備可拉伸電極的納米材料

（a）納米顆粒拉伸方案；

（b）PDMS薄膜表面生長金納米結構的SEM圖；

（c）聚氨酯-AuNPs復合材料在0%（左）和50%（右）拉伸應變下的TEM圖；

（d）一維納米材料拉伸過程示意圖；

（e）PDMS基底表面AuNTs網絡的SEM圖；

（f）PDMS基底表面PEDOT包裹CNT薄膜的示意圖；

（g）類金針菇結構AuNWs的側視SEM圖；

（h）左圖：AuNSs薄膜的SEM圖。右圖：光學圖像顯示了拉伸過程中AuNSs薄膜中的褶皺變形；

（i）左圖：絲網印刷技術以特制墨水制備可拉伸器件的示意圖。右圖：打印的可拉伸圖案及相應PEDOT：PSS墨水微觀結構示意圖。

3、細胞檢測

所有細胞都受到微環境中的機械力信號刺激，而它們的生物化學反應與這些機械力密切相關。長期以來，由于剛性硬質電極缺乏彈性，難以實現細胞動態拉伸狀態下釋放信號分子的檢測。如今，將機械力敏感性細胞培養在可拉伸EC傳感器表面，通過傳感器變形即可實現細胞的動態拉伸，同時實時監測細胞釋放的信號分子。

圖三、拉伸細胞釋放信號分子的實時監測

（a）可拉伸EC傳感器檢測動態拉伸細胞的示意圖；

（b）在AuNTs/PDMS膜上培養的HUVECs的掃描電鏡和顯微圖像；

（c）拉伸應變遞增時，CNTs@PEDOT/PDMS表面的HUVECs形狀變化及其釋放NO的實時動態監測；

（d）v-AuNWs電極監測乳腺癌細胞H₂O₂釋放的示意圖和電流響應；

（e）光致更新AuNTs/TiO₂NWs/AuNTs/PDMS傳感器循環檢測細胞的示意圖。

圖四、細胞機械力信號轉導的實時監測

（a）I：CNT/AuNT/PDMS電極誘導和監測細胞機械力信號轉導的示意圖；II：拉伸狀態下HUVECs的顯微成像圖：Alexa-fluor488-phalloidin（綠色：肌動蛋白）和hoechst33342（藍色：細胞核）染色；III：不同拉伸模量下HUVECs的安培監測；

（b）I：CNTs@PEDOT/PDMS傳感器周向拉伸HUVEC示意圖。II：在傳感器集成血管芯片中，周向拉伸前后HUVECs的示意圖和相應顯微圖像；III：周向拉伸HUVECs時的安培監測。

4、組織檢測

體內的組織非常柔軟，其彈性模量比傳統剛性電極（如Pt和Au電極）低幾個數量級。另外，動態血流、腸蠕動、呼吸等運動使組織發生體積變化，而硬質材料不能變形，往往會造成組織損傷的高風險，甚至影響器官的正常功能。可拉伸電極為發展生物相容性電子-軟組織傳感接口帶來了新的機遇：一方面，可伸縮電極為軟/曲線生物組織提供保形接觸，從而緩解了傳感器和組織的機械錯配；另一方面，可拉伸傳感器可以變形以適應組織或器官體積的變化。

圖五、組織檢測

（a）AuNTs/PDMS電極插入人臍靜脈過程的示意圖（I）和NO釋放的安培響應（II）；

（b）CNTs/TiO_2/AuNTs電極誘導腸段擴張的示意圖（I）和實時監測5-HT釋放的安培響應（II）；

（c）I：一個處于軟狀態的硬度可調節探針；II：探針插入大鼠紋狀體實時監測重復高鉀液誘導的谷氨酸釋放；

（d）PtNWs修飾可拉伸MEA用于大鼠腦部外周神經刺激的光學圖像；

（e）三維集成型多功能柔性傳感器貼附在兔心臟外表面的光學照片。

5、總結與展望

【小結】

綜上所述，作者總結了近些年可拉伸EC傳感器用于細胞和組織檢測的最新進展。首先，作者介紹基于獨特結構設計和新型納米材料組裝的電極制備策略。之后，重點介紹了這些傳感器在機械敏感性細胞和組織實時監測中的應用。最后，作者提出可拉伸EC傳感器在細胞、組織及活體水平檢測方面的發展方向：（1）提高可拉伸電極的綜合性能（如靈敏度、選擇性、抗污染）仍然是準確測量的前提；（2）發展多功能集成型（如物理和化學傳感結合）可拉伸傳感器，獲取機械力信號轉導的多參數信息；（3）研發可拉伸微傳感界面，結合單細胞及亞細胞微操控技術，探究機械力信號轉導機制。鑒于可拉伸EC傳感領域尚處于起步階段，作者在該綜述總結了傳感器設計和制備的基本原則，并指出了未來的發展方向，有助于推動可拉伸EC傳感技術在生物醫學領域的廣泛及深入應用。

文獻鏈接：Stretchable Electrochemical Sensors for Cell and Tissue Detection （Angew. Chem. Int. Ed.?2020, DOI:10.1002/anie.202007754）

【團隊介紹】

黃衛華教授，武漢大學珞珈特聘教授，博士生導師，國家杰出青年科學基金獲得者，國家“萬人計劃”科技創新領軍人才。從事生命分析化學研究，主要研究方向為單細胞分析、生物電分析化學以及微流控芯片。迄今已在Angew. Chem. Int. Ed., J.Am.Chem. Soc., ACS Nano, Chem. Sci., Anal. Chem., Small等學術刊物發表SCI論文100余篇，參與主編專著1部。

課題組主頁：http://www.huanglab.whu.edu.cn/

【團隊在該領域的工作匯總】

近幾年，黃衛華教授團隊在可拉伸電化學傳感器的研發及其生物醫學應用方面開展了系統研究。首先，制備了大長徑比的金納米管和聚合物PEDOT包覆的碳納米管，率先構建了抗機械形變性高、電化學性能優異和生物相容性良好的可拉伸電化學傳感器，實現了內皮細胞和血管組織釋放NO的實時監測（Angew. Chem. Int. Ed. 2016, 55, 4537-4541；Anal. Chem. 2017, 89, 2032）。為了進一步考察單純機械力刺激對內皮細胞釋放NO的影響，構建了基于金納米管和碳納米管復合結構的傳感器，提升了其靈敏度和機械性能，成功監測了內皮細胞被拉伸時引起NO快速釋放的力學信號轉導過程（Angew. Chem. Int. Ed. 2017, 56, 9454-9458）。此外，將柔性傳感器與微流控芯片集成，成功模擬了低血壓、正常血壓及高血壓狀態血管對內皮細胞產生的環形拉伸應力，并實時監測了這些應力誘導的信號分子釋放（Small 2019, 1903204）。

為了解決柔性可拉伸電極界面污染問題，該團隊結合前期發展的光催化降解策略（Angew. Chem. Int. Ed. 2015, 54, 14402-14406），在金納米管網絡結構中引入光催化劑二氧化鈦納米線，實現可拉伸電化學傳感界面的無損高效更新（Anal. Chem. 2018, 90, 5977-5981）。在此基礎上，利用碳納米管的抗生物分子吸附特性，構建了兼具抗生物污染和高效降解污染物性能的可拉伸電化學傳感界面。利用傳感器膨脹模擬腸道蠕動的擴張過程，同時實時監測了擴張刺激引起的5-HT釋放，為揭示5-HT在腸道運動中的作用機制提供了新視角（Angew. Chem. Int. Ed. 2020, 59, 4075-4081）。最近，該團隊總結了國際上該領域的最新研究進展，撰寫綜述“Stretchable Electrochemical Sensors for Cell and Tissue Detection”，發表在Angew. Chem. Int. Ed.上（Angew. Chem. Int. Ed.?2020, DOI:10.1002/anie.202007754）。

本文由我亦是行人編譯。

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