新型可植入传感器嗅出骨关节炎的可能信号

如果烟雾表明火灾，一氧化氮会发出炎症信号。化学介质会促进炎症，但研究人员怀疑它在前交叉韧带(ACL)断裂和相关损伤后可以很好地发挥作用，并引发早发性骨关节炎。宾夕法尼亚州立大学工程科学与力学纪念副教授JamesE.HendersonJr.的Huanyu"Larry"Cheng表示，通常情况下，退行性疾病仅在出现进展症状后才被诊断出来，但它可能通过一氧化氮监测更早地被发现.

程和他的学生刘尚斌今年在宾夕法尼亚州立大学获得了工程科学和力学硕士学位，他们与的研究人员合作开发了一种能够连续和无线检测兔子一氧化氮的柔性生物传感器。他们在国家科学院院刊上发表了他们的方法。

“实时评估与炎症相关的生物标志物，例如关节腔中的一氧化氮，可以指示骨关节炎最初发展的病理演变，为创伤性膝关节损伤后优化治疗提供重要信息，”Cheng说。

Cheng表示，挑战在于一氧化氮检测需要高度灵敏和稳定的电化学传感器，这些传感器还具有灵活性和生物相容性，因此可以精确地绘制出一氧化氮的地理来源。通讯作者、清华大学材料科学与工程学院副教授兰寅此前曾领导开发了一种灵活的一氧化氮敏感电化学传感器，但它依赖的电极配置限制了其功能。

“有限的表面积使得同时获得高灵敏度和高空间分辨率变得具有挑战性，”尹说，这意味着该设备可能能够检测一氧化氮，但可能无法准确定位它的起源，所以它不是明确信号是否与损伤部位或周围组织有关。“还需要定期重新校准，以确保理想的准确性。”

研究人员调整了传感机制中的通道几何形状，以优化气体在检测之前进入传感通道的方式。插图突出显示了通道的漏极(D)、长度(L)、源极(S)和宽度(W)。图片来源：刘尚斌/宾夕法尼亚州立大学/清华大学

研究人员转向柔性和生物相容性有机电化学晶体管(OECT)的潜在解决方案，它可以使用电压和电流来识别和放大信号。一旦它们在栅电极上氧化并将电解质的离子驱动到器件的通道中，即使是很小的离子浓度也是可检测和可放大的;然而，通道由称为PEDOT:PSS的聚合物制成，该聚合物通常在与一氧化氮不同的栅极电压下工作。

“我们调整了通道几何形状和栅极材料，以调整一氧化氮电化学信号如何进入通道以及设备如何检测它们，从而优化传感能力，”Cheng说。“与先前报道的电化学一氧化氮传感器相比，具有小型化活性传感区域的无参考传感器能够以更高的空间分辨率检测一氧化氮，这可以使电化学信号的映射提供全面的诊断信息。”

研究人员将传感器与定制的电路模块集成在一起，形成了一种连续无线监测一氧化氮水平的设备，该设备通过蓝牙传输到手机应用程序。为了测试该设计，研究人员将这些设备植入兔子体内。八天后，研究人员发现这些设备成功检测到一氧化氮浓度。

“结果表明，高一氧化氮浓度的早期迹象可能与后期的炎症和软骨退化相关，这可能为评估ACL损伤后骨关节炎的进展和优化创伤后治疗提供重要信息，”Cheng说。

Cheng表示，研究人员计划继续研究一氧化氮浓度与骨关节炎之间的联系，并改进传感技术。

“总的来说，所提出的材料选择和设备设计可以为早期解码健康状况和最大化相关退化和疾病的治疗结果提供关键的工程基础，”尹说。

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