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南京大學(xué)張曄課題組 Sci. China Mater.：高吸附電化學(xué)纖維傳感器用于實時、準(zhǔn)確檢測顱內(nèi)一氧化氮
2024-02-05  來源：高分子科技

  一氧化氮（NO）氣體作為信號分子在生物體內(nèi)具有重要的作用。在大腦中，正常濃度范圍內(nèi)的NO參與誘導(dǎo)和維持神經(jīng)細(xì)胞的發(fā)育、控制生化物質(zhì)分泌以及調(diào)節(jié)睡眠等重要功能。過量的NO則可能導(dǎo)致有毒化合物的形成，從而引起細(xì)胞損傷。此外，NO濃度的變化與多種神經(jīng)退行性疾病或心腦血管疾病密切相關(guān)。目前評估NO濃度主要依賴于對其反應(yīng)產(chǎn)物亞硝酸根或一氧化氮合酶的濃度進(jìn)行測定，但這些方法無法實時直接的精確測量NO濃度變化，難以反映生理病理活動中NO的濃度特征。因此，研發(fā)一種能夠?qū)崟r直接監(jiān)測腦部NO的工具對于理解大腦中NO的基礎(chǔ)濃度，并為腦科學(xué)的發(fā)展提供新型的研究手段，顯得尤為必要。


  電化學(xué)一氧化氮傳感器能夠?qū)崟r監(jiān)測顱內(nèi)一氧化氮濃度，相較于其他監(jiān)測方法具有操作簡單、成本低和具有實時直接監(jiān)測能力等優(yōu)勢。然而，NO電化學(xué)傳感在大腦中的應(yīng)用仍面臨著兩個困境。一是NO在大腦中濃度較低，通常在納摩級，對傳感的靈敏度提出了高的要求。一是在大腦中傳統(tǒng)使用的剛性傳感電極在植入后引起神經(jīng)炎癥會誘導(dǎo)大量的一氧化氮合酶的表達(dá)，從而使周圍腦組織的NO濃度異常，導(dǎo)致測量結(jié)果的不準(zhǔn)確（圖1a）。


  近日，南京大學(xué)張曄課題組開發(fā)設(shè)計了一種電化學(xué)性能優(yōu)異且界面穩(wěn)定的纖維傳感器，用于實時準(zhǔn)確檢測顱內(nèi)NO的濃度變化。通過在具有高比表面積的碳納米管纖維上引入羧基官能團(tuán)，使傳感兼具了對NO的物理和化學(xué)吸附能力。此外，柔軟的電極可以與腦組織的力學(xué)性能相匹配，實現(xiàn)了一個高度適應(yīng)的電極/組織界面。由此設(shè)計的顱內(nèi)一氧化氮傳感器表現(xiàn)出迄今為止所報道文獻(xiàn)中最高的靈敏度，為3245 pA·nM?1，檢測限為0.1 nM。電極在植入后未觀察到顯著的炎癥反應(yīng)以及過量的一氧化氮表達(dá)，提高了檢測的準(zhǔn)確性（圖1b）。該傳感器成功捕捉了大腦中的一氧化氮波動，并實現(xiàn)了對多個腦區(qū)的同時檢測，促進(jìn)了對大腦中一氧化氮生理病理作用的研究。成果近期以“A highly adsorptive electrochemical fiber sensor for real-time and accurate detection of intracranial nitric oxide”為題發(fā)表在SCIENCE CHINA Materials，DOI：10.1007/s40843-024-2808-2。 


圖1基于羧基化碳納米管纖維的NO傳感器的示意圖


  纖維傳感器由羧基化的碳納米管纖維作為導(dǎo)電基底材料，鉑納米顆粒作為催化劑，聚丁香酚和Nafion薄膜作為選擇性透過的薄膜。傳感的結(jié)構(gòu)和SEM成像如圖1c和圖1d所示。 


圖2 碳納米管纖維的表征


  碳納米管纖維具有優(yōu)異的電化學(xué)活性面積以及BET比表面積（圖2a），這為碳納米管纖維提供了更強(qiáng)的NO物理吸附能力（圖2b），從而具備了相比于傳統(tǒng)使用的碳纖維和鉑絲電極更高的NO響應(yīng)電流（圖2c）。通過酸處理在碳納米管纖維表面引入羧基官能團(tuán)，可以進(jìn)一步提高碳納米管纖維對NO的吸附能力，但過久的酸處理會破環(huán)碳納米管纖維的結(jié)構(gòu)導(dǎo)致傳感纖維的響應(yīng)電流下降（圖2d）。羧基化的碳納米管纖維具有更高的響應(yīng)電流和更低的起始電位（圖2e），這是由于羧基化的碳納米管纖維具有了更強(qiáng)的NO化學(xué)吸附能力（圖2f）并降低了NO在電極表面的吸附能（圖2g）。同時，傳統(tǒng)使用的碳纖維和鉑絲電極，碳納米管纖的力學(xué)性能可以與腦組織相匹配（圖2h，i）。 


圖3 基于羧基化碳納米管纖維傳感器的電化學(xué)性能


  相較于之前報道的顱內(nèi)NO傳感器，基于羧基化的碳納米管纖維具有最為優(yōu)異的電化學(xué)性能（3245 pA·nM?1）以及監(jiān)測下限（0.1 nM）（圖3a-c），而基于碳纖維和鉑絲的傳感器分別為510 pA·nM?1和49 pA·nM?1。在四周的時間內(nèi)，傳感的性能基本保持不變（圖3d）。同時，傳感器對于諸多不同類型的干擾物質(zhì)也具有優(yōu)異的選擇性和穩(wěn)定性（圖3e，f）。 


圖4 基于羧基化碳納米管纖維傳感器與腦組織之間的界面


  研究人員進(jìn)一步評估了纖維傳感器與腦組織之間的界面穩(wěn)定性。植入基于羧基化碳納米管纖維傳感器的周圍腦組織沒有明顯的破壞，細(xì)胞形態(tài)保持正常（圖4a，b）。同時，通過對腦組織中星形膠質(zhì)細(xì)胞進(jìn)行熒光成像并對腦脊液中的炎癥因子進(jìn)行分析，證明了基于羧基化碳納米管纖維傳感器在植入后并未引起明顯的炎癥反應(yīng)（圖4c，d）。此外，研究人員還對腦組織中的一氧化氮合酶以及腦脊液中的NO濃度進(jìn)行了測定，驗證了在植入羧基化碳納米管纖維傳感器后周圍腦組織不會產(chǎn)生干擾性的NO，影響測試結(jié)果的準(zhǔn)確性（圖e，f）。而基于碳纖維和鉑絲的傳感器在植入后，周圍腦組織均產(chǎn)生了明顯的損壞，并存在大量炎癥因子和NO表達(dá)。 


圖5 大鼠顱內(nèi)NO濃度的實時監(jiān)測


  通過將基于羧基化碳納米管纖維傳感器植入到大叔腦部，成功實現(xiàn)了在外界刺激下對皮層NO的濃度檢測（圖5a-c）。隨后我們通過夾閉頸動脈構(gòu)建腦卒中疾病模型，并成功檢測到了在輕型和重型腦卒中下大鼠皮層的NO濃度變化（圖5d，e）。在重型腦卒中下，NO濃度變化更大，與大鼠的行為學(xué)變化相對應(yīng)（圖5f，g）。通過在軸向空間上排列傳感器的傳感位點可以實現(xiàn)對大鼠不同腦區(qū)的同時檢測，在腦卒中疾病模型中，皮層產(chǎn)生了濃度最高的NO，其次是海馬體，最后使側(cè)腦室（圖5h，i）。這是由于皮層中一氧化氮合酶數(shù)量較高，在中風(fēng)條件下能夠迅速產(chǎn)生大量的NO。海馬體中的一氧化氮合酶相較于皮層較少，而側(cè)腦室中不存在表達(dá)一氧化氮合酶的細(xì)胞，NO只能從附近的腦區(qū)擴(kuò)散到側(cè)腦室。這些結(jié)果與文獻(xiàn)報道的結(jié)果一致，驗證了傳感器實時監(jiān)測的準(zhǔn)確性。


  該工作設(shè)計開發(fā)了一種基于碳納米管纖維的新型電化學(xué)NO纖維傳感器，具有迄今為止報告的最高靈敏度（3245 pA·nM?1），檢測限低至0.1 nM。此外，在植入后它能夠與腦組織形成穩(wěn)定的界面，因此沒有引起顯著的炎癥反應(yīng)或過量的NO表達(dá)，提高了檢測的準(zhǔn)確性。傳感器在植入后成功在腦卒中疾病模型下監(jiān)測到了不同腦區(qū)中NO的濃度變化。這種NO傳感器為實時監(jiān)測顱內(nèi)NO濃度提供了潛在的工具，這對于了解大腦中NO的功能并開發(fā)治療神經(jīng)系統(tǒng)疾病至關(guān)重要。


  南京大學(xué)現(xiàn)代工程與應(yīng)用科學(xué)學(xué)院碩士生高睿、博士后王列和南京中醫(yī)藥大學(xué)李丹為論文共同第一作者，南京大學(xué)現(xiàn)代工程與應(yīng)用科學(xué)學(xué)院張曄副教授為論文通訊作者，南京大學(xué)是該論文的第一單位。研究工作受到國家自然科學(xué)基金、江蘇省自然科學(xué)基金、江蘇省 “雙創(chuàng)團(tuán)隊”項目等基金的支持。相關(guān)研究以“A highly adsorptive electrochemical fiber sensor for real-time and accurate detection of intracranial nitric oxide”為題發(fā)表在SCIENCE CHINA Materials上。


  論文鏈接 http://engine.scichina.com/doi/10.1007/s40843-024-2808-2

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