基于金属有机框架的灵活的可植入营养传感器

生物医学监控的整个领域是柔性和超薄电子产品将带来巨大变化的一个领域。在不久的将来，我们会看到可植入传感器，它们具有自供电功能，能够连续监测器官功能和不同体液中分析物的水平。

中国的研究人员现在已经展示了实现与金属有机框架（MOF）集成的高度灵敏的柔性生物传感器的材料和技术-金属有机框架本质上是无机-有机混合物，其中包含重复的金属离子与有机配体连接。这些高通量柔性设备可实现高度特异性和灵敏的电化学检测，并可用于监测体内的神经递质和营养物质。

天津大学生物柔性电子学和高通量测量技术生物医学工程实验室的黄先 教授领导的研究小组在高级材料中报告了他们的发现（“使用集成有金属有机物的柔性传感器进行植入式营养传感的材料和技术框架”）。

Huang告诉Nanowerk：“这是MOF首次与柔性电子设备集成在一起。” “这种集成使灵活的电子设备能够在不使用酶的情况下对营养物进行电化学检测，从而具有新的功能。”

MOF修改的柔性电化学传感器的示意图。a）用于营养检测的MOF改进型柔性传感器的概念。b）柔性传感器的丝网印刷过程。c）MOF电化学传感器的多层结构，其中集成了MOFs层。左图显示了研磨前Cu-MOF的扫描电子显微镜（SEM）显微照片，右图显示了通过氢键形成的Cu-MOF的3D骨架结构。d）PBS中裸电极和Cu-MOF修饰电极的CV测试。（经Wiley-VCH Verlag许可转载）（点击图片放大）

MOF在催化中的能力已被广泛研究。但是，到目前为止，在文献中还没有关于MOF在柔性电子产品中的应用的报道。

这激发了团队探索将MOF集成到他们最近开发的高通量柔性电化学传感器中的可能性。

Huang说：“尽管MOF在化学传感中有各种演示，但它们从未在植入式生物传感中得到演示，并与柔性传感器集成在一起以进行营养的多通道测定。”

团队的工作有两个重要发现。首先，它表明本质上是脆性和刚性材料的MOF可以与柔性电子设备集成在一起，以实现高分辨率的高特异性电化学检测。

其次，结果进一步表明，柔性电子设备可用于以分布式方式监视体内的生理信号。

研究人员通过丝网印刷方法制造了他们的柔性传感器。器件通过研磨的铜-MOF（Cu-MOF）和钴-MOF（Co-MOF）纳米颗粒制成的薄膜进行了表面改性。

左：电极表面上的Cu-MOF纳米粒子的SEM显微照片。右：Cu-MOF修饰传感器的SEM截面图。（经Wiley-VCH Verlag许可转载）

这些传感器可用于检测痕量的抗坏血酸，L-色氨酸，甘氨酸和葡萄糖，所有这些都是与代谢和循环过程密切相关的营养物质。

该团队证明了他们的传感器可以在降低的偏置电压下工作，并将工作时间延长20天。他们还介绍了通过使用生物启发式触手状多通道传感器获得的初步数据，表明了此类传感器在同时确定不同器官和身体位置中分析物的分布和运输方面的潜在应用。

由于MOF植入后非常稳定，因此该新技术可能会被用于同时对不同位置的生物分子进行长期监测。

Huang说：“我们计划将光和电刺激，电化学检测和其他生理信号监视相结合，以构建高通量，分布式柔性电子设备，作为揭示疾病和生物过程背后复杂机制的工具。” “此外，我们还将利用MOF在持久磷光，能量存储等方面的优势，进一步探索MOF在柔性电子产品中的应用。”

他补充说：“这些设备可以用作帮助更好地了解各种生活过程的工具。” “它们可以用作植入物，以监测各个器官不同位置的生物分子。当与更多的刺激和测量功能集成在一起时，这种类型的设备可以用于控制动物的行为，揭示生物过程的潜在机制，监测健康状况以及治疗疾病。”

展望未来，该团队计划将其他刚性和脆性材料引入柔性电子设备，以增强柔性电子设备的功能。挑战包括如何使用刚性和脆性材料获得高性能的柔性膜，以及如何实现具有更多功能的可植入的复杂柔性电子系统。