依據(jù)患者情形調(diào)整治療方案的做法可以追溯至古希臘的希波克拉底，然而隨著新診斷技術的成長，精準醫(yī)療在21世紀才逐漸被人們所重視并得到了進一步發(fā)展。而實時、精準監(jiān)測健康相關生物分子作為了解病情的首要條件，在精準醫(yī)療中扮演著至關重要的角色。然而，現(xiàn)有技術對幾乎所有生物分子的檢測都需要通過浸入性抽血的方式實現(xiàn)。此外，精準醫(yī)療對生物分子的監(jiān)測具有非常強的時間敏感性，傳統(tǒng)的抽血方式通常需要幾個小時甚至更長時間來獲取結(jié)果，此類方法無法實現(xiàn)實時干預并進行精準治療。最后，現(xiàn)有檢測方法費用高、可及性差（一些地區(qū)可能沒有足夠的醫(yī)療資源來進行廣泛的監(jiān)測）。人體汗液或組織間隙液富含個體生理狀態(tài)密切相關的化學物質(zhì)，為無創(chuàng)或微創(chuàng)實時監(jiān)測健康狀況提供了契機。穿戴式及植入式生物傳感器不僅能夠?qū)崿F(xiàn)連續(xù)、實時地監(jiān)測人體內(nèi)的多種生物標志物，例如維生素、氨基酸、代謝物和藥物濃度，而且能夠提供個性化健康管理的解決方案，輔助及時發(fā)現(xiàn)潛在的健康問題，以進行早期干預。此外，此類傳感器能夠大幅減少傳統(tǒng)診斷方法中的延遲和成本，通過便捷的非侵入式監(jiān)測方式，實現(xiàn)精準醫(yī)學的發(fā)展。然而，此類設備的普及仍面臨著目標分子檢測有限、操作穩(wěn)定性差以及生產(chǎn)可擴展性差等一系列挑戰(zhàn)。加州理工學院高偉（Wei Gao）教授課題組從2017年實驗室建立至今，重點關注無創(chuàng)動態(tài)健康監(jiān)測，為精準無創(chuàng)監(jiān)測提供了若干解決方案（Science, 2024, 385, 954-961. Nature Nanotechnology, 2024, 19, 330-337. Nature Electronics, 2024, 7, 168-179. Nature Biomedical Engineering, 2023, 7, 1293–1306. Nature Biomedical Engineering, 2022, 6, 1225–1235. Nature Biotechnology, 2020, 38, 217-224.）。其發(fā)表在Nature Biomedical Engineering, 2022, 6, 1225–1235. 的工作獨創(chuàng)性地將分子印跡聚合物引入可穿戴汗液傳感設備中，同時構筑了原位汗液收集及分析系統(tǒng)，實現(xiàn)了汗液中多種維生素的實時動態(tài)監(jiān)測。在本期發(fā)表在Nature Materials的研究型文章 “Printable molecule-selective core-shell nanoparticles for wearable and implantable sensing” 中，高偉教授課題組著眼目前穿戴式及植入式傳感器面臨的主要挑戰(zhàn)（即目標分子檢測有限、操作穩(wěn)定性差以及生產(chǎn)可擴展性差）。首次提出了可打印、溶液合成的核殼納米顆粒，通過分子印刷聚合物殼層的分子識別功能和具有高度穩(wěn)定的電化學信號轉(zhuǎn)導能力的鎳六氰氟酸鹽核心，提供了多重功能。此類納米顆粒不僅能夠?qū)崿F(xiàn)目標分子的定制性識別，并且能夠在生物體液中穩(wěn)定工作，尤其適用于長時間運行的可穿戴和植入式傳感器。通過一站式噴墨打印和計算優(yōu)化的納米顆粒墨水配方，展示了此類技術在大規(guī)模生產(chǎn)中具有良好的可行性，為實時監(jiān)測廣泛生物標志物（如氨基酸、維生素、代謝物和治療藥物）提供了可能。值得一提的是此項工作的兩位共同一作王敏強博士和葉萃近期雙雙加盟上海交通大學。 圖1. 可打印的分子選擇性核殼納米粒子用于可穿戴和植入式生物傳感器. 1.集成化的小型化系統(tǒng)：實現(xiàn)了一體化的小型化穿戴式和植入式傳感系統(tǒng)，可以在長時間內(nèi)、在各種活動中對生理狀態(tài)及生物標志物進行精確監(jiān)測。通過局部汗液刺激、微流控神經(jīng)反射汗液采樣及傳感器在線校準等一系列協(xié)調(diào)操作，實現(xiàn)了高時間分辨率和準確度的監(jiān)測。圖2. 靶標識別與信號轉(zhuǎn)導雙功能核殼納米粒子的設計與表征.2.創(chuàng)新的納米工程設計：首次提出了一種核殼結(jié)構的納米粒子，外層為分子印跡聚合物，模擬“人工抗體”以特異性結(jié)合目標分子；內(nèi)核則為具有還原活性的普魯士藍類似物，能夠生成可測量的電化學信號，用于標志物檢測。 圖3. 基于完全噴墨打印的MIP/NiHCF納米粒子電化學生物傳感器的表征.3.普適性的制造方法：提出了一種普適性的生產(chǎn)工藝，能夠?qū)崿F(xiàn)高度穩(wěn)定、具備高靈敏度和高選擇性的便攜式和植入式生物傳感器，廣泛適用于氨基酸、維生素、代謝物、藥物等多種生物標志物的檢測。圖4. 基于打印的MIP/NiHCF納米粒子生物傳感器在穿戴式長期新冠和營養(yǎng)監(jiān)測中的評估.4.首次應用與長期新冠患者健康管理：利用該穿戴式平臺，首次實現(xiàn)了基于體內(nèi)營養(yǎng)物質(zhì)和代謝物水平的長期新冠患者健康管理評估，為新冠后遺癥（Long COVID）的監(jiān)測提供了解決方案。圖5. 基于可穿戴和植入式MIP/NiHCF納米粒子生物傳感器的實時治療藥物監(jiān)測評估.5.癌癥患者實時藥物監(jiān)測及動物模型藥代動力學研究：該平臺能夠?qū)崟r監(jiān)測癌癥患者的治療藥物水平，并通過植入式平臺進行藥物的藥代動力學/藥效學研究，推動了個性化治療的進步。6.可重構性和廣泛的應用前景：該方法具有高度可重構性，能夠連續(xù)監(jiān)測多種生物標志物，如蛋白質(zhì)、激素、脂質(zhì)和藥物，進一步拓展了個性化預防、診斷和治療應用的可能性。通過此項技術，作者突破了傳統(tǒng)可穿戴和植入式傳感器在穩(wěn)定性、生產(chǎn)成本和應用領域上的限制，為個性化健康監(jiān)測和精準醫(yī)學的發(fā)展提供了強有力的支持。未來，隨著技術的進一步發(fā)展，這項技術將為更多的健康監(jiān)測需求提供便捷、高效和長期穩(wěn)定的解決方案，推動精準醫(yī)學進入新的時代。 原文鏈接：https://www.nature.com/articles/s41563-024-02096-4
本文第一作者王敏強博士，于2025年1月從加州理工學院Wei Gao教授課題組博士后出站，隨后加入上海交通大學溥淵未來技術學院任長聘教軌副教授，博士生導師，國家青年人才項目入選者（海外）。目前從事高度跨學科研究，重點開發(fā)可用于基礎和應用生物醫(yī)學研究的新型多功能能源材料和生物電子可穿戴系統(tǒng)。他的研究領域包括納米材料、可穿戴設備、生物傳感器、生物電子學、分析電化學、納米技術、微流體、個性化醫(yī)療、電催化。王敏強博士近年來以第一作者/共同第一作者身份在Nature Materials, Nature Biomedical Engineering, Nature Nanotechnology Advanced Materials, Trends in Chemistry, Angewandte Chemie International Edition等 期刊發(fā)表學術論文20篇?？傄?800余次，h-index為36。課題組正招聘相關專業(yè)博士后研究人員2-4名，有意向請聯(lián)系minqiangwang@sjtu.edu.cn
本文第一作者葉萃博士，于2025年1月從加州理工學院Wei Gao教授課題組博士后出站，隨后加入上海交通大學醫(yī)學院任研究員/學科帶頭人崗位。截止目前，在相關領域期刊發(fā)表SCI論文50余篇，谷歌學術總被引超3100次，H因子28。以第一作者/共同第一作者/通訊作者共計發(fā)表學術論文22篇，包括Nature Nanotechnology （無創(chuàng)可穿戴女性荷爾蒙汗液監(jiān)測技術被Nature和Nature Nanotechnology高亮報道），Nature Materials, Chemical Society Reviews, Angewandte Chemie International Edition等。其中，以女性荷爾蒙汗液監(jiān)測為核心技術成立的初創(chuàng)公司Persperity Health已成功獲得融資，目前正基于此關鍵技術進行商業(yè)化產(chǎn)品開發(fā)。課題組正招聘相關專業(yè)助理研究員、博士后、研究助理等若干名，有意向請聯(lián)系cuiye@sjtu.edu.cn。
本文通訊作者高偉教授現(xiàn)為加州理工學院醫(yī)學工程系教授和Ronald and JoAnne Willens特聘教授，2007年本科畢業(yè)于華中科技大學機械學院，2009年于清華大學精密儀器系獲得碩士學位，2014年從加州大學圣地亞哥分校獲得化學工程博士學位。2014年至2017年期間，在加州大學伯克利分校電子工程與計算科學系開展博士后工作研究。高偉教授現(xiàn)為Science Advances, Biosensors & Bioelectronics, npj Flexible Electronics, Sensors & Diagnostics期刊副主編，曾獲評美國自然科學基金委杰出青年獎、國際醫(yī)學與生物工程科學院杰出青年獎，海軍研究總署青年科學家獎、斯隆研究獎、IEEE醫(yī)學與生物學工程學會青年成就獎，IEEE傳感器理事會技術成就獎，世界經(jīng)濟論壇青年科學家, 美國化學會青年研究員獎等諸多獎項，入選麻省理工技術評論“35歲以下科技創(chuàng)新35人”全球榜單。他的研究方向包括可穿戴設備、生物傳感器、柔性電子、微納機器人與納米醫(yī)學等。
