近日，俄亥俄州立大學的科學家們在實驗室裡成功測試了一種生物感測器，可用於檢測與創傷性腦損傷相關的生物標誌物。
在今年一月發表於學術期刊Small的研究報告中，研究者們表示團隊所研發的防水生物感測器配備了“空前的功能組合”，令其能夠檢測人體內種種化學物質的濃度變化，並將資料結果實時傳送給研究者。不僅如此，這種晶片還柔韌而薄於髮絲，使得其能以微小的入侵性在大腦裡工作。
生物感測器在人體大腦工作的設想圖 | 參考文獻[1]
“雖然在實驗室的測試之後還有許多工作要做，但我們的調查發現非常振奮人心。”該研究的合著者、俄亥俄州立大學材料科學與工程學的助理教授Jinghua Li如此評論。
儘管如同該研究團隊開發的這種生物感測器有著種種潛在的用途，Li和其他合著者們在這項研究中卻特別關注如何運用他們的生物感測器來監測創傷性腦損傷（TBI）患者的病情。
身兼俄亥俄州立大學慢性腦損傷專案（Chronic Brain Injury, CBI）成員的Li表示，在經歷這種腦部損傷之後，透過檢測大腦腦脊髓液中鈉離子和鉀離子的濃度變化可繼而測出可能會發生的繼發性腦損傷。
Li介紹說：“我們想要的生物感測器能夠透過持續監測腦組織，以探測腦脊髓液中離子濃度的變化，而這些變化會出現在TBI的第二階段，是病情惡化的早期預兆。”
研究者們將該生物感測器置於模擬腦脊髓液的人工溶液中進行測試後，發現生物感測器可以精準檢測出對TBI至關重要的鉀離子和鈉離子指標。而除了在人造腦脊髓液中的測試，研究團隊還在人類血清中利用該生物感測器成功地監測了pH值。
感測器的運作機制
那麼這種生物感測器是如何工作的呢？原來該晶片搭載被稱作場效應電晶體的電子元件，在感知到目標化學物質時會傳輸可以在體外監測並分析的電訊號。尤其重要的是，研究者們還開發了校準標準來解決所謂的“串擾”問題（”crosstalk”）。
基於離子載體的離子選擇膜使得生物感測器能夠捕捉和探測離子濃度變化 | 參考文獻[2]
“當我們創造一個生物感測器時，我們希望確保這個裝置只對我們感興趣的特定化學物質作出反應，而忽略其他生物標記的串擾，但這在人類身體這般的複雜系統中是很難實現的。”Li如此解釋道。
Li同時表示，雖然生物感測器需要能夠在大腦的液體中檢測到生物標記的變化，但與此同時晶片裡的電子裝置也必須得到保護，以免受到這些液體的影響。
因此，這項研究還發現了一種在1000 °C以上的溫度下鍛造、由二氧化矽薄膜製成的防水包裹物，在流體環境中作為屏障材料，提供高度結構完整性。
二氧化矽薄膜防水包裹物覆蓋在感測器表面 | 參考文獻[2]
為了測試這種包裹物在人體內能維持多久，研究者們用不同的方法進行了測試，比如把它放在加熱的液體以及不同pH值的物質中。Li表示說，研究結果表明這種厚達數百奈米的防水包裹物在體溫下至少能夠維持數年，甚至可能更長時間。
感測器的提升空間
研究結果還表示對於該生物感測器而言，目前最關鍵的問題在於能夠感應化學物質的部件僅能有效工作數週。
除此之外，在該生物感測器可以準備在動物和人體上進行測試之前，還有其他一些問題需要解決：生物組織對感測器的長期反應還有待進一步研究；考慮到生物系統的複雜性，與串擾相關的問題仍有待解決；如何量產這種感測器等等。但是無論如何，這項研究為生物感測器在醫療保健領域的應用前途提供了更多有力的證據。
產業化應用前景
Li相信生物感測器不僅可以用來如同在這項研究中一樣分析離子和神經遞質，還可以分析體內的肽、蛋白質、核苷酸以及其他化學物質。生物感測器的成功應用不僅能成為檢測TBI的突破，也能有效利用於其他慢性疾病，諸如帕金森症和阿茲海默症。
“我們相信利用生物感測器來獲取和分析的健康資料，對於跟蹤長期健康狀況以便早期干預和治療疾病至關重要。”Li如此說道。
參考文獻
[1] Jinghua Li’s team developing biosensor to monitor brain tissue. (2022, February 4). The Ohio State University College of Engineering. Retrieved February 12, 2022, from https://engineering.osu.edu/news/2022/02/jinghua-lis-team-developing-biosensor-monitor-brain-tissue
[2] Dong, Y., Chen, S., Liu, T.-L., Li, J., Materials and Interface Designs of Waterproof Field-Effect Transistor Arrays for Detection of Neurological Biomarkers. Small 2022, 2106866. https://doi.org/10.1002/smll.202106866
編譯：張明宇
編輯：酥魚
排版：尹寧流
研究團隊
通訊作者Jinghua Li：美國俄亥俄州立大學材料科學與工程學助理教授
第一作者Yan Dong：美國俄亥俄州立大學材料科學與工程學博士後
第二作者Shulin Chen：美國俄亥俄州立大學材料科學與工程學博士生
第三作者Tzu-Li Liu：美國俄亥俄州立大學材料科學與工程學博士生
俄亥俄州立大學材料科學與工程學助理教授Jinghua Li 和博士後Yan Dong、博士研究生Shulin Chen以及Tzu-Li Liu共同進行了這項研究
論文資訊
釋出期刊Small
釋出時間2022年1月13日
論文標題
Materials and Interface Designs of Waterproof Field-Effect Transistor Arrays for Detection of Neurological Biomarkers
（DOI：https://doi.org/10.1002/smll.202106866）
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