Weekly Seminar
题目：用于细胞和组织实时监测的可拉伸电化学传感器
期刊：ANGEWANDTE CHEMIE-INTERNATIONAL EDITION
IF：16.823
原文链接：
https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/anie.201601276
汇报人：马翊越 2022级博士
可拉伸电化学传感器由于具有较好的柔性、弹性和弯曲特性，在许多领域特别是在健康监测方面展现出巨大的应用前景。近年来，随着新型纳米材料和电子加工技术的发展，可拉伸传感器在与人体健康相关的物理传感方面取得了重大进展。与此同时，电化学传感器也能够快速高效地识别调节生物功能的重要生化分子。生物体内的一些化学分子的产生与释放与细胞和组织的机械变形密切相关。进一步考虑机械转导过程中细胞和组织变形，具有良好拉伸性的电化学传感器有望成为贴合细胞和组织变形进而实时监测其产生的化学信号的理想工具。为了制造可拉伸电化学传感器，导电材料应同时具有良好的电子电导率和优异的电化学活性。在目前广泛用于制作可拉伸电子材料的纳米材料中，随机分布的金属纳米线（NWs）网络因其优异的机械拉伸性和高导电性而受到广泛关注。考虑到Au在电化学传感中的优异性能，Au NWs或NT是构建可拉伸电化学传感器的理想材料。但是，常规制造具有大纵横比的一维Au NW或NT仍然是一个巨大的挑战。
本文利用聚二甲基硅氧烷（PDMS）薄膜上牺牲Ag NWs的轻度电偶置换来合成具有大纵横比Au NT网络，并开发了一种用于实时监测细胞和组织的可拉伸电化学传感器，制备的Au NTs/PDMS电极表现出令人满意的抗机械变形稳定性和优异的电化学性能。该研究首次对传感器上的不同拉伸状态下以及血管内层的机械敏感细胞进行实时电化学监测。结果表明，该传感器在生命体电化学检测中具有巨大潜力，这项工作是在细胞和组织水平上应用可拉伸电化学传感器的首次尝试。
1. Au NTs / PDMS的设计原理
将Ag NWs已预先均匀地分布在聚多巴胺（pDA）处理的PDMS上，通过牺牲Ag NWs（长度为10-20 μm）的原位电置换合成了可拉伸的Au NTs/PDMS薄膜。pDA层赋予疏水性PDMS高度亲水表面，以增强Ag NWs与PDMS表面之间的附着力，通过可控旋涂将Ag NWs网络均匀沉积在pDA功能化的PDMS上。Au NTs/PDMS薄膜是通过Ag NWs网络和金的乙二胺（en）配合物，即[Au(en)2]Cl3溶液之间的温和电置换形成的。置换反应后，通过络合反应消除副产物固体AgCl。
[Au(en)2]Cl3 + 3 Ag → Au + 2 en + 3 AgCl 公式1
AgCl + 2NH3 → [Ag(NH3)2]+ + Cl- 公式2
图1. 可拉伸Au NTs/PDMS薄膜的制备、SEM图像、TEM图像、XRD衍射图及光学透过率
2. 电极材料表征
随着电置换的推进，Au在Au NTs中的比例增加，而过度反应会导致Au NTs壁中产生孔隙。考虑到电化学性能和薄层电阻的平衡，选择90 ℃下在1 mM [Au(en)2]Cl3溶液中处理60 min作为Au NTs的合成条件。Au NTs的Au元素质量分数为91.2±2.1%（平均标准偏差，±sd，n = 3），表明几乎所有的Ag原子都被Au取代。扫描电子显微镜（SEM）表明，所得的Au纳米材料在PDMS上随机分布，并较好地得到了长径比较大的Ag NWs模板的线状形貌，有利于可拉伸电极的构建。透射电子显微镜（TEM）图像揭示了所得Au的空心管状结构，其平均外径约为40 nm，壁厚约为4 nm。X射线衍射（XRD）峰和所选面积电子衍射（SAED）图谱显示了Au NTs的（111）、（200）、（220）和（311）晶面。
在350-700 nm的可见光区域测量了PDMS上初始Ag NWs和制备的Au NTs网络的透射率光谱。550 nm处的透射率分别为85.4%和81.7%，相应的薄层电阻分别为18.9±0.9 Ω/sq和23.1±1.1 Ω/sq（平均值±sd，n=5），表明这些Au NT具有和Ag NWs相当的优异光电性能。此外，Au NTs/PDMS薄膜是表面兼容的，并且可以轻松获得Au NTs/PDMS的图案和阵列。
3. 拉伸性能及NO催化氧化性能
循环伏安（CV）结果表明，在K3[Fe(CN)6]溶液中，该电极材料在0.17 V 和 0.22 V处具有一对清晰、可逆的氧化还原峰，显示出Au NTs/PDMS在电子传输和电化学传感中的优异性能。将Au NTs/PDMS薄膜与发光二极管（LED）连接，研究其电导率的稳定性。当Au NTs/PDMS薄膜拉伸到50%应变时，LED仍然亮起，表明在0~50%的应变范围内，通过Au NTs网络的电子路径是连续的。将Au NTs/PDMS薄膜包裹在不同曲率的圆柱形物体上并对折，测试薄膜的柔韧性。当弯曲半径小于0.5 mm时，相对电阻没有明显变化。在最大应变50%时，拉伸性能ΔR/R0达到47%，但在第一个循环完全释放后部分恢复。在随后的循环中，ΔR/R0几乎相同，表明在第一个循环后建立了稳定的传导途径。当薄膜拉伸到50%或弯曲半径为1 mm循环1000圈后，ΔR/R0的差异不明显。
通过对Au NTs/PDMS薄膜进行弯曲半径为1 mm的极端条件和拉伸到不同程度的拉伸应变，其峰电流和峰电位具有较高的重复性，表明薄膜在大的机械弯曲和拉伸下具有良好的电化学稳定性。在生理条件下，NO密切参与内皮机械转导、血管内稳态调节等许多方面。NO的产生受到包括周向拉伸和流体剪切应力在内的机械力的显著影响。因此，利用可变形装置对机械敏感的ECs和血液组织进行NO水平的实时监测具有重要意义。与ITO和具有相同几何面积的平面金电极相比，Au NTs/PDMS对NO的CV曲线在0.80 V和下呈现出明显的氧化峰和更高的电流值，表现出良好的NO氧化催化活性。5 nM的NO可诱发电流明显增加，计算出的检测限为3 nM（S/N=3），显示出良好的电化学传感能力。
图2. Au NTs/PDMS薄膜的拉伸电阻变化、循环使用性能及NO催化氧化性能
4. 抗菌活性
观察到HUVECs在Au NWs/PDMS膜上培养1 h后，伪足完全展开附着在纳米管网络表面，培养3小时后细胞恢复其纺锤形特征。这表明Au NTs具有良好的生物相容性，可以极大地促进细胞粘附。培养72小时后，细胞增殖良好并几乎覆盖整个电极，并且细胞明显存活。然后使用Au NTs/PDMS电极来监测其培养的活细胞的NO释放。L-精氨酸可被一氧化氮合酶（NOS）催化氧化产生NO，从而刺激HUVECs，使安培电流上升。对照实验进一步证实了NO释放能够引起电流增加。为了测试其作为可拉伸电化学传感器的能力，HUVECs在安装在滑动支架上的Au NTs/PDMS电极上培养，并将电极拉伸至约27%，频率为0.5 Hz。当细胞受到刺激时，初步观察到拉伸HUVECs释放NO，表明Au NTs/PDMS作为可拉伸传感器在生物检测中具有令人满意的电化学性能。
为了突破传统硬质平面电极在曲线组织检测中的局限，该研究将Au NTs/PDMS薄膜卷成圆筒状，并将其紧密插入人脐静脉的一段。在静脉内，贴合表面的Au NTs/PDMS薄膜扩张并与内侧紧密结合，并且成功监测到脐静脉内皮细胞释放的NO。
图3. 在Au NTs/PDMS薄膜上培养HUVECs的SEM图像，Au NTs/PDMS薄膜监测HUVECs中NO释放，以及Au NTs/PDMS薄膜示意图
综上所述，基于Au NTs渗透网络的可拉伸电化学传感器实现了对机械敏感细胞和组织的实时监测。在这项工作中，作者展示了所制备的可拉伸传感器在检测拉伸状态下的EC和人体脐静脉内侧产生的NO中的应用潜力。这种可拉伸传感器可以被进一步开发，进而作为监测活细胞和组织中机械转导过程的有力工具。此外，进一步考虑Au NTs制备的便利性及其优异的生物相容性，合理设计的功能化Au NTs也可以作为可拉伸装置应用于其它方面以满足生物学上的各种需求。