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清華團隊研發可生物降解一氧化氮傳感器

人體和地球一樣都是由各種化學元素組成的,這些化學元素的分泌以一種神秘的規則與我們的行為關聯:傷心的時候我們的身體會分泌兒茶酚胺,幸福的時候又會分泌多巴胺,缺氧讓我們頭暈打哈欠,吸氧過多又會讓我們咳嗽頭疼。而帶有自由基、非常活潑的一氧化氮在我們身體內則能調控激素,充當細胞內的信使。

1992年,在一氧化氮被《科學》(Science)雜志選為明星分子后,它成為了生物領域研究的熱點和前沿,作為內源性生物活性分子,一氧化氮廣泛地存在于哺乳動物體內的各個組織和器官,不同濃度的一氧化氮對生物體的很多生理活動都有重要影響,于是科學家開始研究各種方法對一氧化氮進行測量。傳統的一氧化氮檢測方法有亞硝酸鹽間接比色法,缺點是只能得到靜態結果,不能實時監測,而硬質不可降解的傳感器又與人體的兼容性較差,需要在進行二次手術摘取植入的傳感器,增加了感染的風險。

而在2020年6月25日,清華大學材料學院尹斕教授研究組在這一技術上面完成了重大突破,他們設計發明了一種新型的一氧化氮傳感器,這種大約1平方厘米的薄片十分柔軟,可以被拉大約1.5倍,將它植入生物體后,我們可以通過iPad上面的數據可視化軟件清晰的觀察到生物體內一氧化氮濃度的實時變化,而在實驗結束后,這個薄片則會自己消失的無影無蹤。

這一切的完成依賴于尹斕教授研究組對材料的創新和設計的改變。他們將傳統硬質的厚硅晶圓片替換為柔性基地材料,構建了新型柔性、可生物降解的一氧化氮傳感器。這種材料和目前我們在外科手術中使用的可吸收縫線類似,可以水解。一些剩余的微量物質裂解后還可以被細胞吞噬,之后通過人體代謝排出。解決了生物可降解的技術難題。研究組和清華大學電子系副教授張沕琳合作開發了無線傳輸裝置,這個裝置通過導線與傳感器連接,之后像創可貼一樣貼在皮膚外側就可以記錄電流信號,在iPad下載數據可視化軟件就能完成實時監測。

一氧化氮濃度與神經傳遞異常、心血管收縮與擴張、身體炎癥都有關系。我們國家有超過一億的關節炎患者,而且人數在不斷增加,除了關節紅腫、熱痛,造成功能障礙和關節畸形,嚴重的甚至會導致殘疾。所以如果能及時捕捉一氧化氮升高的信號,就能為外科干預盡早提供依據。體外實驗中,研究人員將傳感器植入新西蘭兔的骨關節腔,實現了通過無線傳輸系統遠程、實時監測軟骨細胞以及骨關節腔內一氧化氮濃度變化。最具突破性的就是在植入兔子體內8周后,按照預想,整個器件在體內完全消失,根據元素含量測試和組織染色切片,器件構成元素消失后,細胞形態如常。這種特性即減少了未來臨床診斷中的感染風險,對怕痛的患者也是一種安慰。

目前研究組計劃對這一技術繼續改進,希望將外接的無線傳輸模塊和傳感器集成,一次性植入較大體積的哺乳動物體內進行實驗。雖然現階段與一氧化氮相關疾病的患者還不能享受這一創新帶來的便利,但研究組已經在材料層面實現生物可降解這一重大突破,未來在對設計進行提升后,可以很快的與醫學機構銜接。于此同時,這一技術也體現出了廣闊的醫學前景,或許不久的將來我們也能實現可降解的多巴胺、血糖傳感器。

    文字

    馬倩倩


    片設計

    任帥


    編審
    戚天雷   周襄楠

    張歌明   張莉


    欄目統籌

    周襄楠

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