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微納3D打印：微針傳感器陣列實現(xiàn)對 L-色氨酸的實時連續(xù)監(jiān)測

更新時間：2025-12-29點擊次數(shù)：151


在精準醫(yī)療與智慧農(nóng)業(yè)快速發(fā)展的今天，對生物體內(nèi)關(guān)鍵分子的實時連續(xù)監(jiān)測需求日益迫切。L-色氨酸作為人體必需氨基酸和植物生長激素前體，其濃度波動與情緒調(diào)節(jié)、代謝狀態(tài)及植物生長發(fā)育密切相關(guān)。然而，傳統(tǒng)檢測方法如高效液相色譜和質(zhì)譜技術(shù)只能提供離散的離線測量，無法滿足實時動態(tài)監(jiān)測的需求。



近期，國立陽明交通大學的研究團隊以“Real-time and continuous L-Tryptophan monitoring by electrochemical aptamer-enabled microneedle sensor array"為題在《Sensors and Actuators: B. Chemical》期刊上發(fā)表了一項突破性研究成果——基于微針陣列的電化學適體傳感器，實現(xiàn)了對L-色氨酸的實時連續(xù)監(jiān)測。

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L-色氨酸在哺乳動物體內(nèi)是神經(jīng)遞質(zhì)的前體，在植物中則是生長素吲哚-3-乙酸的前體。傳統(tǒng)檢測方法雖然靈敏度高，但無法實現(xiàn)實時連續(xù)監(jiān)測，且操作復(fù)雜、成本高昂。研究團隊旨在開發(fā)一種能夠進行皮下組織附著并實現(xiàn)動態(tài)追蹤的微針傳感器，為臨床代謝監(jiān)測和農(nóng)業(yè)應(yīng)用開辟新的可能性。

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圖1.（a）集成微針傳感器陣列的示意圖：由14根針組成的一圈排列，其中包括6個工作電極和8個參考/對照電極。（b）基于ETPTA的微針的三維激光共聚焦圖像。（c）電化學輔助的適配體檢測機制：金涂層微針上的自組裝適配體在與 L-色氨酸結(jié)合時會發(fā)生構(gòu)象變化，從而改變MB報告劑與電極表面之間的距離，進而調(diào)節(jié)法拉第電流。（d）體內(nèi)實時嚙齒動物皮下 ISF 測量的示意圖。（e）體內(nèi)連續(xù)植物中的示意圖測量。



研究團隊首先使用摩方精密的nanoArch® S140 （精度：10 μm）3D打印系統(tǒng)制作初級微針主模具。14個針頭采用切向環(huán)形排列，間距為2000 μm，確保了PDMS鑄造的均勻性和皮膚接觸的一致性，成功制備出高度約1500 μm、基部直徑225 μm、半錐角18°的微針結(jié)構(gòu)。

隨后，所得微針陣列經(jīng)過化學鍍銀和濺射鍍金的兩步金屬化工藝，形成均勻的金屬涂層，為適體固定提供導電界面。適體功能化是關(guān)鍵步驟，研究團隊在金涂層微針表面自組裝硫醇化DNA適體，形成密集的適體單層，從而實現(xiàn)對L-色氨酸的特異性識別。

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圖2. （a）不同 L-Trp 濃度下的奈奎斯特圖。（b）通過電化學阻抗譜測量得出的等效電路的擬合參數(shù)表明，濃度依賴性的變化主要受電荷轉(zhuǎn)移電阻（Rct）、溶液電阻（Rs）、雙層電容（Cdl）和沃格伯格擴散阻抗（Zw）的影響（n=3，平均值±標準誤差）。（c）在 10 μM L-Trp 溶液中，SWV 電流增益（%）與頻率的關(guān)系：在 100 Hz 時正增益（+22.4%），在 10 Hz 時負增益（–19.3%），交叉頻率（fc）約為 42.7 Hz，此時信號開啟和信號關(guān)閉相交（n=3，平均值±標準誤差）。不同 L-Trp 濃度下的 SWV 響應(yīng)曲線。（d）在信號關(guān)閉（10 Hz）時，電流隨濃度的增加而降低。（e）在信號開啟（100 Hz）時，電流隨濃度的增加而增加。（f）在 10 μM L-Trp 和高濃度干擾物（L-Arg、L-Cys、L-Phe、L-Tyr、AA、UA、AP：0.5 - 1 mM）下選擇性分析。所有干擾物與 L-Trp 相比響應(yīng)變化均小于 10%，表明具有出色的分子特異性和抗干擾能力（n=3，平均值±標準誤差）。



研究團隊開發(fā)了雙頻方波伏安法與動能差測量校正技術(shù)相結(jié)合的方法，有效解決了長期監(jiān)測中的基線漂移問題。通過系統(tǒng)測試5-200 Hz的頻率范圍，確定10 Hz（信號關(guān)閉）和100 Hz（信號開啟）為工作頻率。KDM校正模型將長期監(jiān)測中的漂移從52.7%降低到僅7.3%，顯著提高了傳感器的穩(wěn)定性和準確性。這一技術(shù)創(chuàng)新使得傳感器能夠在復(fù)雜生物環(huán)境中保持穩(wěn)定的性能表現(xiàn)。

該微針傳感器在1 nM至1 mM的濃度范圍內(nèi)表現(xiàn)出優(yōu)異的檢測性能，在生理濃度窗口（5-100μM）內(nèi)具有高度線性（R2=0.997）。檢測限達到12 nM，遠優(yōu)于傳統(tǒng)檢測方法。傳感器對類似氨基酸和常見干擾物表現(xiàn)出高度特異性，響應(yīng)變化均小于10%。

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圖3. (a) 微針傳感器陣列在1 nM至1 mM L-色氨酸范圍內(nèi)的濃度依賴性KDM響應(yīng)，符合Hill-Langmuir等溫線模型，在生理濃度范圍(5–100 μM)內(nèi)呈現(xiàn)高度線性(R2 = 0.997) (n=4，均值±標準誤差)。KDM = 3.739 + (177.857 ? 3.739) × [Target]1.338 / ((2.793×10^?5)1.338 + [Target]1.338)。(b) 長期方波伏安監(jiān)測顯示10 Hz和100 Hz通道存在明顯漂移。KDM補償可穩(wěn)定電流響應(yīng)，大幅降低基線漂移。(c) 不同頻率模式下漂移程度的定量比較。KDM處理將漂移幅度降低至7.3% (n=3，均值±標準誤差)。(d) PBS溶液中60分鐘測試（基線為10分鐘），隨后持續(xù)暴露于35 μM L-色氨酸環(huán)境（后50分鐘）。經(jīng)KDM校正的數(shù)據(jù)保持穩(wěn)定，準確反映設(shè)定濃度。曲線以初始時間點為零點歸一化(n=3，均值±標準誤差)。(e) 自制流動分析平臺示意圖。(f) 皮下組織間液動態(tài)流動模擬：分別在30、60、90、120和150分鐘將L-色氨酸濃度調(diào)整為20、40、60、20和0 μM。微針傳感器能快速響應(yīng)濃度變化，在濃度降低時表現(xiàn)出優(yōu)異的恢復(fù)能力，證實了其穩(wěn)定可逆的工作特性(n=3，均值±標準誤差)。

在離體豬皮膚模型中，傳感器經(jīng)過三次連續(xù)插入仍保持93.2%-98.8%的信號響應(yīng)，證明了其良好的機械耐久性和功能涂層穩(wěn)定性。連續(xù)60分鐘的監(jiān)測顯示，經(jīng)過KDM校正的信號保持穩(wěn)定，驗證了傳感器在組織環(huán)境中的長期可靠性。

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圖4. (a) 微針傳感器陣列刺入脫細胞豬皮膚的光學照片（通過組織染色觀察）。清晰的穿刺痕跡證實其成功穿透表皮（A：0.8倍放大；B：5倍局部放大）。(b) 連續(xù)三次穿刺后經(jīng)KDM校正的方波伏安響應(yīng)（100 Hz）。第二次和第三次穿刺分別保持初始KDM響應(yīng)的93.2%和98.8%（n=3，均值±標準誤差）。(c) 在處理后豬皮膚樣本中連續(xù)60分鐘的方波伏安監(jiān)測（10 Hz與100 Hz每分鐘交替采集）。原始電流信號隨時間呈現(xiàn)漸進性漂移，經(jīng)KDM差分校正后實現(xiàn)有效穩(wěn)定，證明該方法在生物組織內(nèi)具備可靠的長期漂移補償與濃度變化檢測能力（n=3，均值±標準誤差）。

在大鼠皮下組織間液和萵苣莖部的實時監(jiān)測實驗中，傳感器成功追蹤到L-色氨酸的動態(tài)波動。動物實驗顯示，皮質(zhì)酮注射后L-色氨酸濃度顯著下降，而植物監(jiān)測則揭示了不同生長階段L-色氨酸的濃度變化規(guī)律。

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圖5. (a) 對照組（大鼠1號與2號）：t = 30分鐘時皮下注射生理鹽水后ISF L-色氨酸濃度隨時間變化曲線；(b) 注射前后平均濃度對比。(c) 實驗組（大鼠3號與4號）：t = 60分鐘時皮下注射皮質(zhì)酮（10 mg/kg）后ISF L-色氨酸濃度隨時間變化曲線；(d) 皮質(zhì)酮給藥前后平均濃度對比。(e) 皮質(zhì)酮處理下L-色氨酸波動示意圖。所有數(shù)據(jù)以均值±標準誤差表示（n=2只大鼠；讀數(shù)次數(shù)：注射前=6次，注射后=18次），采用配對t檢驗， p ≤ 0.01，* p ≤ 0.001。

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圖6. (a) 生菜生命周期中L-色氨酸波動示意圖。(b) 生菜不同生長階段L-色氨酸濃度的動態(tài)變化連續(xù)監(jiān)測。在莖-葉柄連接處每3天測量一次，30天內(nèi)共采集10個時間點數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)以均值±標準誤表示（n=3）。



這項研究成果展示了微針適體傳感器在生物監(jiān)測領(lǐng)域的巨大潛力，為臨床診斷和精準農(nóng)業(yè)提供了新的技術(shù)手段。摩方精密的微納3D打印技術(shù)在這一突破性研究中證明了其在生物醫(yī)學工程領(lǐng)域的應(yīng)用價值。隨著精準醫(yī)療和智能農(nóng)業(yè)的不斷發(fā)展，對實時監(jiān)測技術(shù)的需求將持續(xù)增長。摩方精密的高精度制造能力將為更多創(chuàng)新生物傳感器的開發(fā)提供技術(shù)支持，推動相關(guān)行業(yè)的技術(shù)進步。