Nat Biomed Eng | 邵慧琳/赵海涛等开发基于水凝胶机械超材料的外泌体传感器

责编 | 兮

机械超材料是一类通过周期性结构设计来实现特异力学性能的人工材料，其所具有的非线性屈曲形变（Nonlinear buckling）和图形转换（Pattern transformation）等特性在放大微弱生物信号中具有极大潜力。然而，目前机械超材料在生物医学中的应用非常有限，主要集中在生物支撑结构（如医学支架）的设计中。

在探索机械超材料在生化检测的应用中，响应型水凝胶是一类非常理想的可桥接微观生化分子行为和宏观机械力学响应的中间材料：一方面，水凝胶的种类极其丰富，可对多种外界刺激产生机械响应；另一方面，水凝胶可以使用成熟的微纳制造技术进行图形化。然而，这其中也存在诸多挑战：首先，水凝胶的交联过程存在一定的随机性，并且针对水凝胶这类高含水量柔性基底的图形化加工误差较大，这使得我们难以直接将水凝胶机械超材料的初始状态控制在其特异力学性能的响应窗口中。其次，水凝胶普遍需要目标生物分子扩散至其内部来实现机械响应，这极大的限制了水凝胶对生物大分子的响应速度，并且损失了生物分子的空间分布信息。

2022年10月27日，新加坡国立大学邵慧琳教授、赵海涛博士等在Nature Biomedical Engineering杂志上发表了题为A hydrogel-based mechanical metamaterial for the interferometric profiling of extracellular vesicles in patient samples的研究论文，提出了一种基于机械超材料屈曲放大效应的纳米分子分析平台（MORPH）。该平台通过光热效应将水凝胶机械超材料的初始状态精准的调控至发生图形转换的临界状态，并将目标生物分子作为打破该临界状态的触发因素，从而获得显著的敏感机械形变，来达到放大微弱生物信号的目的。

图1是MORPH平台的工作原理图。其工作流程可分为三步：超材料结构的图形化、临界点锁定、目标分子触发的图形转换。首先，在超材料结构的图形化中作者使用了双响应型水凝胶，其由对温度敏感的N-异丙基丙烯酰胺（NIPAM）单体、对氧化还原性敏感的N-丙烯酰基吡喃胺（NATA）单体和具有生物特异性的抗体单体共同构成。水凝胶通过压模的方式在镀金玻璃基板上形成十字弹性梁阵列的机械超材料结构。该结构在内部应力较小时，会发生较小的形变，而当应力超过某个临界值后，结构会突然的崩塌，产生明显的图形转换。然后，在临界点锁定中，作者通过金膜的光热效应精准的调控基板的温度，并配合水凝胶中的热响应组分来控制水凝胶的溶胀比，从而将机械超材料的应变精准的控制在发生图形转换的临界状态。最后，目标生物分子被免疫捕获到机械超材料表面，当特定生物标志物存在时，机械超材料在抗体-过氧化氢酶的作用下会发生进一步的交联，从而打破上述临界状态并触发机械超材料的图形转换。作者通过衍射图案的变化来实时检测这种图形转化，以达到检测目标生物分子组分信息的目的。

图1: MORPH平台的工作原理图

最后作者使用胃肠癌患者的腹腔积液来验证MORPH的临床效用。作者使用便携式MORPH系统，对腹腔积液中的外泌体标志物（CD63）以及肿瘤标志物（CD24, EpCAM 和MUC1）进行了组合分析。实验结果显示，与单一外泌体特征分析或单一生物标志物分析相比，MORPH的组合分析在预后分型中具有最佳的准确性。在使用尤登指数（Youden’s index）确定检测阈值后，MORPH平台在预后分型中的敏感性是100%(21/21)，特异性为88.2%(15/17)，整体准确性为94.7%(36/38)。研究还认为MORPH平台可被扩展到多种临床的生物流体（尤其是血液和尿液），并用于其他疾病（如传染病、癌症和神经退行性疾病）的诊疗。此外，通过结合微流体等技术，MORPH平台也有望实现高通量的并行检测，从而应用于大规模临床验证。

制版人：十一

‍