加州理工学院高伟教授，最新Nature Materials！

摘要：可穿戴与植入式生物传感器在精准医疗中具有重要潜力，能够实现生物分子的连续监测，但受限于可检测目标数量少、操作稳定性差以及规模化生产困难等问题。加州理工学院高伟教授课题组提出了一种创新的核壳纳米颗粒设计，结合分子印迹聚合物（MIP）壳与镍六氰基铁酸盐（NiHCF

可打印的分子选择性核壳纳米颗粒用于可穿戴与植入式传感研究背景

可穿戴与植入式生物传感器在精准医疗中具有重要潜力，能够实现生物分子的连续监测，但受限于可检测目标数量少、操作稳定性差以及规模化生产困难等问题。加州理工学院高伟教授课题组提出了一种创新的核壳纳米颗粒设计，结合分子印迹聚合物（MIP）壳与镍六氰基铁酸盐（NiHCF）核，通过喷墨打印技术实现高性能生物传感器的规模化制备，解决了上述挑战。相关论文以“Printable molecule-selective core–shell nanoparticles for wearable and implantable sensing”为题，发表在Nature Materials，第一作者为Minqiang Wang,Cui Ye。

高伟教授

核心创新1.双功能核壳纳米颗粒设计

·核心：NiHCF提供稳定的氧化还原活性，在生物流体中具有长期电化学稳定性（经5,000次循环伏安扫描后结构仍保持完整）。

·外壳：MIP通过模板分子预吸附和热聚合形成选择性结合腔，实现对目标分子的高特异性识别（如维生素C、肌酐、免疫抑制剂等）。

2.喷墨打印技术规模化生产

·优化纳米颗粒墨水（乙醇/水/NMP混合溶剂），确保均匀分散与高打印精度。

·打印的传感器阵列具有高一致性（1,078个传感器电流密度标准差仅±67.9 nA/mm²），且机械柔韧（经1,200次弯曲后性能稳定）。

3.多功能应用验证

·长期COVID代谢监测：通过汗液无创检测维生素C（AA）、色氨酸（Trp）和肌酐（CK）。长期COVID患者汗液中CK水平显著升高，AA与Trp水平降低，与血清浓度高度相关（Pearson相关系数0.81–0.87）。

·癌症治疗药物监测（TDM）：可穿戴传感器实时监测环磷酰胺（CY）、白消安（BU）和霉酚酸（MPA），与质谱检测结果高度一致（CY与BU的相关系数分别为0.92和0.98）。

·植入式传感器：在小鼠模型中实现多药同步监测，展示高生物相容性（植入14天后组织炎症反应轻微）。

图1.可打印分子选择性核壳纳米粒子用于可穿戴和植入式传感

关键实验与结果

1.纳米颗粒稳定性测试

·NiHCF核心在生理流体中稳定性优于其他普鲁士蓝类似物（FeHCF、CoHCF、CuHCF），归因于镍离子的小半径特性降低晶格应变。

图 2.用于靶标识别和信号转导的双功能核壳纳米颗粒的设计和表征。

2.传感器性能优化

·MIP单体筛选通过计算化学（QuantumDock框架）结合实验验证，甲基丙烯酸（MAA）对维生素C的敏感性与选择性最优。

·传感器在高温（90°C）下仍保留76%性能，而酶基传感器性能下降84%。

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

3.实际应用场景验证

·膳食干预监测：受试者摄入蛋白质与草莓后，汗液AA与Trp水平迅速上升，CK保持稳定。
·药物动力学研究：小鼠静脉注射不同剂量CY后，植入式传感器实时捕获剂量依赖的药时曲线（AUC）。

图 4.用于可穿戴长期 COVID 和营养监测的印刷 MIP/NiHCF 纳米颗粒生物传感器的评估。

图 5.用于实时 TDM 的可穿戴和植入式 MIP/NiHCF 纳米粒子生物传感器的评估。

技术优势与意义1.突破性进展首次将MIP与NiHCF结合，兼顾分子识别与信号传导功能，克服传统传感器依赖酶或抗体的局限性。喷墨打印技术实现低成本、高通量生产，推动可穿戴设备的商业化应用。2.临床价值为长期COVID的病理机制研究提供实时代谢数据支持。实现癌症治疗药物的个性化剂量调控，减少毒性风险并优化疗效。