医学的未来很可能取决于医疗保健的个性化——即精准掌握个体的需求，在必要时提供精确配比的营养素、代谢物和药物，稳定和改善个体的健康状况。为实现这一目标，医生首先需要一种能够持续测量和监测特定健康生物标志物的方法。
为此，美国加州理工学院（California Institute of Technology ，简称Caltech）的工程师团队，开发了一项喷墨打印特殊纳米颗粒阵列的技术，实现持久可穿戴汗液传感器的大规模生产。这些传感器可用于实时监测维生素、激素、代谢物、药物等多种生物标志物，使患者及其医生能够持续追踪这些分子水平的变化。
在加利福尼亚州杜阿尔特市的希望之城（City of Hope），采用新型纳米颗粒的可穿戴生物传感器已成功应用于两类场景：监测长期新冠（long COVID）患者的代谢物水平，以及追踪癌症患者体内化疗药物的浓度。
加州理工学院医学工程系（Department of Medical Engineering ）教授Wei Gao是该论文的作者，论文已经发表在《自然-材料》（Nature Materials）期刊上。他表示，这些仅是潜在应用的冰山一角。这些传感器为我们提供了以非侵入方式，持续监测多种慢性疾病及其生物标志物的可能性。
Wei Gao教授团队将这种纳米颗粒称为核壳立方体纳米颗粒。在含有目标分子（例如维生素C）的溶液中，单体自发组装形成聚合物，将维生素C分子捕获于立方体纳米颗粒内部。使用溶剂选择性去除维生素C分子，留下带有与维生素C分子形状精确匹配孔洞的分子印迹聚合物壳层——其功能类似于人工抗体，可特异性识别特定分子形状。
该研究的核心创新在于：研究人员将上述聚合物与六氰合铁酸镍（NiHCF）制成的纳米颗粒核结合。当接触人体汗液或其他体液时，这种材料在施加电压下可发生氧化或还原反应。以维生素C为例：若维生素C形状的孔洞未被占据，体液将与NiHCF核接触并产生电信号；而当维生素C分子嵌入孔洞时，体液与核的接触被阻断，导致电信号减弱。电信号强度即反映维生素C的浓度。
这一镍基核至关重要。即使在生物体液中，六氰合铁酸镍核仍能保持高度稳定性，使传感器非常适合长期监测。
新型核壳纳米颗粒具有高度通用性。通过在同一传感器阵列中使用多种纳米颗粒“墨水”，可打印出同时检测汗液或体液中多种氨基酸、代谢物、激素或药物水平的设备。在论文所述研究中，研究人员将结合维生素C的纳米颗粒、结合色氨酸（氨基酸）的纳米颗粒，以及结合肌酐（肾功能标志物）的纳米颗粒，集成于单一传感器中并实现量产。这三种分子在长期新冠患者研究中具有重要意义。
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种纳米粒子 “油墨”，就能测量汗液或体液中多种氨基酸、代谢物、激素或药物的含量。
在论文中描述的实验中，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、肌酐结合的其他纳米粒子。肌酐是一种生物标志物，通常用来测量肾脏的工作状况。所有纳米粒子都被组合到一个传感器中，然后进行批量生产。这三种分子在长COVID患者的研究中很有意义。
研究人员为三种不同抗肿瘤药物分别设计了基于纳米颗粒的可穿戴传感器，并在希望之城的癌症患者中完成测试。Wei Gao教授表示，这项技术的潜力已得到验证——我们能够远程实时监测患者体内的抗癌药物浓度。
这不仅为癌症治疗，也为其他疾病的个性化给药方案指明了方向。同时，该纳米颗粒也能实现另一种应用，即打印可植入皮下的传感器，精确监测体内药物水平。
欢迎阅读我最新分享的欧美教育、科研、科技资讯：
