武大黄卫华Angew. Chem. Int. Ed.综述：可拉伸电化学传感器用于细胞和组织检测

原创我亦是行人材料人

【背景介绍】

人体内组织器官的基本生物形态和功能，如血管内血液流动、肠道蠕动和肺部呼吸运动，都涉及到动态机械力与常驻细胞之间的不断反馈。细胞感知机械力（如拉伸张力、剪切力、划痕和压缩）并将其转化为生化反应的复杂过程，称为机械力信号转导。尽管机械力对生物体功能起着重要调节作用，但目前对细胞将机械力刺激转化为生物化学信息的机制仍知之甚少。因此，发展实时检测该过程生化信号的技术，对揭示机械力信号转导机制十分关键。

电化学（EC）方法因具有灵敏度高、响应速度快等优势，已成为细胞和组织信号分子实时动态监测的重要技术之一。然而，传统电化学传感器为刚性硬质电极，缺乏弹性，无法顺应细胞和组织形变。近年来，随着材料和微纳加工技术的飞速进步，新兴柔性可拉伸电子器件得到了迅速发展，并在多个领域（尤其是可穿戴设备）展示了巨大的应用前景。然而，构建可拉伸EC传感器仍然面临严峻的挑战：一方面，电极使用时直接暴露在生物环境中，传感界面要求具备良好的生物相容性和耐腐蚀性；另一方面，体内细胞和组织发生机械变形较大且产生的化学信号微弱，目前发展的可穿戴式传感器难以同时满足大机械变形和高灵敏度的需求。因此，直到最近可拉伸电化学传感器才在细胞和组织实时监测方面取得突破。

【成果简介】

基于此，武汉大学刘艳玲博士与黄卫华教授总结了关于可拉伸电化学传感器用于细胞和组织检测方面的最新研究进展。以“Stretchable Electrochemical Sensors for Cell and Tissue Detection”发表于Angew. Chem. Int. Ed.期刊上。在本文中，作者首先总结了可拉伸电极的制备，并着重介绍了基于纳米材料的电极制备策略。之后，介绍了可拉伸传感器在机械敏感性细胞和组织实时监测中的代表性应用。最后，作者展望了可拉伸电化学传感在细胞、组织及活体检测中的应用可能性和面临的挑战。

【图文解读】

1、引言

2、可拉伸电极制备

到目前为止，已经发展了两种基本策略制备可拉伸电极：基于特殊几何结构基底和基于导电纳米材料自身性质的可拉伸性。

2.1、基于结构的可拉伸电极

传统的导电材料，如Au和Pt，由于其固有的脆性和刚性，不适合用作可拉伸电极。尽管足够薄的薄膜电极因其弯曲刚度降低，具有较好的柔韧性，但它们的断裂应变极限通常低于1%，远远不能满足生物软组织的较大机械应变。为了解决这一问题，人们利用具有特定几何结构的基底制作了可拉伸电极。

图一、用于制备可拉伸电极的典型几何结构

（a）不同结构的可拉伸原理示意图；

（b）蛇纹状金结构的光学显微照片；

（c）金纳米网（厚度50nm）电极的SEM图；

（d）正弦波结构PDMS条纹上金微带（厚度60nm）的光学显微镜图像。

2.2、基于纳米材料的可拉伸电极

在过去的几十年里，大量纳米材料的涌现使得可拉伸电极制备更便利，如直接旋涂、逐层组装、真空过滤和在弹性聚合物表面原位合成纳米材料等。更为重要的是，机械力信号转导过程中的早期信号事件通常引发极少量（如nM级别或更低水平）的生化分子，而纳米材料赋予了EC传感器优良的催化效率，进而极大地提高了其检测灵敏度。

图二、用于制备可拉伸电极的纳米材料

（a）纳米颗粒拉伸方案；

（b）PDMS薄膜表面生长金纳米结构的SEM图；

（c）聚氨酯-AuNPs复合材料在0%（左）和50%（右）拉伸应变下的TEM图；

（d）一维纳米材料拉伸过程示意图；

（e）PDMS基底表面AuNTs网络的SEM图；

（f）PDMS基底表面PEDOT包裹CNT薄膜的示意图；

（g）类金针菇结构AuNWs的侧视SEM图；

（h）左图：AuNSs薄膜的SEM图。右图：光学图像显示了拉伸过程中AuNSs薄膜中的褶皱变形；

（i）左图：丝网印刷技术以特制墨水制备可拉伸器件的示意图。右图：打印的可拉伸图案及相应PEDOT：PSS墨水微观结构示意图。

3、细胞检测

所有细胞都受到微环境中的机械力信号刺激，而它们的生物化学反应与这些机械力密切相关。长期以来，由于刚性硬质电极缺乏弹性，难以实现细胞动态拉伸状态下释放信号分子的检测。如今，将机械力敏感性细胞培养在可拉伸EC传感器表面，通过传感器变形即可实现细胞的动态拉伸，同时实时监测细胞释放的信号分子。

图三、拉伸细胞释放信号分子的实时监测

（a）可拉伸EC传感器检测动态拉伸细胞的示意图；

（b）在AuNTs/PDMS膜上培养的HUVECs的扫描电镜和显微图像；

（c）拉伸应变递增时，CNTs@PEDOT/PDMS表面的HUVECs形状变化及其释放NO的实时动态监测；

（d）v-AuNWs电极监测乳腺癌细胞H₂O₂释放的示意图和电流响应；

（e）光致更新AuNTs/TiO₂NWs/AuNTs/PDMS传感器循环检测细胞的示意图。

图四、细胞机械力信号转导的实时监测

（a）I：CNT/AuNT/PDMS电极诱导和监测细胞机械力信号转导的示意图；II：拉伸状态下HUVECs的显微成像图：Alexa-fluor488-phalloidin（绿色：肌动蛋白）和hoechst33342（蓝色：细胞核）染色；III：不同拉伸模量下HUVECs的安培监测；

（b）I：CNTs@PEDOT/PDMS传感器周向拉伸HUVEC示意图。II：在传感器集成血管芯片中，周向拉伸前后HUVECs的示意图和相应显微图像；III：周向拉伸HUVECs时的安培监测。

4、组织检测

体内的组织非常柔软，其弹性模量比传统刚性电极（如Pt和Au电极）低几个数量级。另外，动态血流、肠蠕动、呼吸等运动使组织发生体积变化，而硬质材料不能变形，往往会造成组织损伤的高风险，甚至影响器官的正常功能。可拉伸电极为发展生物相容性电子-软组织传感接口带来了新的机遇：一方面，可伸缩电极为软/曲线生物组织提供保形接触，从而缓解了传感器和组织的机械错配；另一方面，可拉伸传感器可以变形以适应组织或器官体积的变化。

图五、组织检测

（a）AuNTs/PDMS电极插入人脐静脉过程的示意图（I）和NO释放的安培响应（II）；

（b）CNTs/TiO_2/AuNTs电极诱导肠段扩张的示意图（I）和实时监测5-HT释放的安培响应（II）；

（c）I：一个处于软状态的硬度可调节探针；II：探针插入大鼠纹状体实时监测重复高钾液诱导的谷氨酸释放；

（d）PtNWs修饰可拉伸MEA用于大鼠脑部外周神经刺激的光学图像；

（e）三维集成型多功能柔性传感器贴附在兔心脏外表面的光学照片。

【小结】

综上所述，作者总结了近些年可拉伸EC传感器用于细胞和组织检测的最新进展。首先，作者介绍基于独特结构设计和新型纳米材料组装的电极制备策略。之后，重点介绍了这些传感器在机械敏感性细胞和组织实时监测中的应用。最后，作者提出可拉伸EC传感器在细胞、组织及活体水平检测方面的发展方向：（1）提高可拉伸电极的综合性能（如灵敏度、选择性、抗污染）仍然是准确测量的前提；（2）发展多功能集成型（如物理和化学传感结合）可拉伸传感器，获取机械力信号转导的多参数信息；（3）研发可拉伸微传感界面，结合单细胞及亚细胞微操控技术，探究机械力信号转导机制。鉴于可拉伸EC传感领域尚处于起步阶段，作者在该综述总结了传感器设计和制备的基本原则，并指出了未来的发展方向，有助于推动可拉伸EC传感技术在生物医学领域的广泛及深入应用。

文献链接：Stretchable Electrochemical Sensors for Cell and Tissue Detection （Angew. Chem. Int. Ed. 2020, DOI:10.1002/anie.202007754）

【团队介绍】

黄卫华教授，武汉大学珞珈特聘教授，博士生导师，国家杰出青年科学基金获得者，国家“万人计划”科技创新领军人才。从事生命分析化学研究，主要研究方向为单细胞分析、生物电分析化学以及微流控芯片。迄今已在Angew. Chem. Int. Ed., J.Am.Chem. Soc., ACS Nano, Chem. Sci., Anal. Chem., Small等学术刊物发表SCI论文100余篇，参与主编专著1部。

课题组主页：http://www.huanglab.whu.edu.cn/

【团队在该领域的工作汇总】

近几年，黄卫华教授团队在可拉伸电化学传感器的研发及其生物医学应用方面开展了系统研究。首先，制备了大长径比的金纳米管和聚合物PEDOT包覆的碳纳米管，率先构建了抗机械形变性高、电化学性能优异和生物相容性良好的可拉伸电化学传感器，实现了内皮细胞和血管组织释放NO的实时监测（Angew. Chem. Int. Ed. 2016, 55, 4537-4541；Anal. Chem. 2017, 89, 2032）。为了进一步考察单纯机械力刺激对内皮细胞释放NO的影响，构建了基于金纳米管和碳纳米管复合结构的传感器，提升了其灵敏度和机械性能，成功监测了内皮细胞被拉伸时引起NO快速释放的力学信号转导过程（Angew. Chem. Int. Ed. 2017, 56, 9454-9458）。此外，将柔性传感器与微流控芯片集成，成功模拟了低血压、正常血压及高血压状态血管对内皮细胞产生的环形拉伸应力，并实时监测了这些应力诱导的信号分子释放（Small 2019, 1903204）。

为了解决柔性可拉伸电极界面污染问题，该团队结合前期发展的光催化降解策略（Angew. Chem. Int. Ed. 2015, 54, 14402-14406），在金纳米管网络结构中引入光催化剂二氧化钛纳米线，实现可拉伸电化学传感界面的无损高效更新（Anal. Chem. 2018, 90, 5977-5981）。在此基础上，利用碳纳米管的抗生物分子吸附特性，构建了兼具抗生物污染和高效降解污染物性能的可拉伸电化学传感界面。利用传感器膨胀模拟肠道蠕动的扩张过程，同时实时监测了扩张刺激引起的5-HT释放，为揭示5-HT在肠道运动中的作用机制提供了新视角（Angew. Chem. Int. Ed. 2020, 59, 4075-4081）。最近，该团队总结了国际上该领域的最新研究进展，撰写综述“Stretchable Electrochemical Sensors for Cell and Tissue Detection”，发表在Angew. Chem. Int. Ed.上（Angew. Chem. Int. Ed. 2020, DOI:10.1002/anie.202007754）。

本文由我亦是行人供稿。

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