本文介绍了一项关于可穿戴微针扩展栅极晶体管（MN-EGFET）用于实时检测组织间液（Interstitial Fluid, ISF）中钠离子浓度的创新研究。该研究由来自以色列理工学院、中山大学第八附属医院、上海交通大学医学院、兰州大学和西安电子科技大学的多位研究人员共同完成，发表在《Advanced Materials》期刊上，DOI为10.1002/adma.202108607。
钠离子是评估健康状况的重要生物标志物。钠离子浓度失衡（即低钠血症和高钠血症）是住院患者和重症监护病房（ICU）患者死亡率和发病率的重要预测因素。目前，钠离子的检测主要依赖于离线分析，这种方法不仅耗时，还需要专业人员和大型设备，无法实现连续监测。因此，开发一种能够实时、无创或微创检测钠离子的设备具有重要意义。基于场效应晶体管（Field-Effect Transistor, FET）的生物传感器因其高灵敏度、快速响应和易于制造等优势，成为了一种有前景的解决方案。然而，现有的FET传感器主要用于汗液和体外血液/组织间液的检测，尚未完全解决在ISF中实时检测生物标志物的问题。
本研究旨在开发一种新型的可拉伸、皮肤贴合、快速响应的微针扩展栅极FET（MN-EGFET）生物传感器，用于实时检测ISF中的钠离子浓度。该设备具有高灵敏度、低检测限、优异的生物相容性和机械稳定性，并可与无线数据传输和物联网（IoT）云平台集成，实现实时监测和长期分析。
设备设计与制造
MN-EGFET由两部分组成：可更换的微针传感部分和可重复使用的FET转换器。微针由聚苯乙烯（PS）制成，表面涂有钛和金层，用于增强导电性和生物相容性。微针的尖端半径为10微米，高度为1000微米。为了增强设备的柔韧性，研究人员采用了厚度梯度策略，将刚性微针与可拉伸的基底结合，确保设备在皮肤上的贴合性和机械稳定性。
钠离子选择性膜的修饰
微针表面修饰了钠离子选择性膜（Sodium-Selective Membrane, ISM），使其能够选择性响应钠离子。通过电化学沉积和自组装单层（Self-Assembled Monolayers, SAMs）技术，微针表面可以进一步修饰不同的生物分子（如抗体和酶），以实现对其他生物标志物的检测。
性能测试
研究人员对MN-EGFET的传感性能进行了详细测试。实验表明，该传感器在10至160 mM的钠离子浓度范围内表现出良好的线性响应，灵敏度为5.61 mA/mM，检测限为2.78 µM。此外，传感器在多次插入和剥离皮肤后仍能保持稳定的响应，证明了其优异的机械稳定性和重复性。
生物相容性评估
通过体外和体内实验，研究人员验证了MN-EGFET的生物相容性。体外实验表明，微针对小鼠前成骨细胞（MC3T3-E1）和成纤维细胞（NIH3T3）的存活率没有显著影响。体内实验进一步证明，微针插入小鼠皮肤后，未对主要器官造成毒性，且皮肤在30分钟内完全恢复，未出现炎症反应。
无线数据传输与IoT集成
MN-EGFET设备与蓝牙无线发射器集成，能够将检测数据实时传输到智能手机或计算机，并通过IoT云平台进行远程监控。这一功能使得该设备在家庭医疗和临床诊断中具有广泛的应用潜力。
高灵敏度与选择性
MN-EGFET传感器对钠离子表现出高选择性和灵敏度，能够准确检测ISF中的钠离子浓度，且对其他电解质（如钾离子、钙离子、镁离子）和生物标志物（如葡萄糖、皮质醇）的响应较低。
优异的机械稳定性
设备在多次插入和剥离皮肤后仍能保持稳定的电学响应，证明了其在长期使用中的可靠性。
生物相容性
体外和体内实验均表明，MN-EGFET具有良好的生物相容性，不会对细胞或组织造成显著损伤。
无线数据传输
通过与IoT技术的集成，MN-EGFET能够实现实时数据传输和远程监控，为家庭医疗和临床诊断提供了新的工具。
本研究开发了一种新型的可拉伸MN-EGFET生物传感器，能够实时、无创地检测ISF中的钠离子浓度。该设备具有高灵敏度、低检测限、优异的生物相容性和机械稳定性，并可与无线数据传输和IoT云平台集成，为家庭医疗和临床诊断提供了新的解决方案。未来，该平台有望通过进一步优化，用于检测多种生物标志物，推动个性化医疗和远程健康监测的发展。
创新性设计
本研究首次将刚性微针与可拉伸基底结合，解决了传统微针设备在柔韧性和机械稳定性方面的不足。
多功能性
通过修饰不同的生物分子，MN-EGFET可以用于检测多种生物标志物，如pH、葡萄糖和皮质醇等。
实际应用价值
该设备在家庭医疗和临床诊断中具有广泛的应用前景，能够减少公共医疗成本，减轻医疗系统的负担。
本研究还探讨了MN-EGFET在检测其他生物标志物（如pH、葡萄糖和皮质醇）方面的潜力，展示了其在多参数健康监测中的应用前景。此外，研究人员还详细讨论了微针的制造工艺、材料选择以及设备与IoT技术的集成方法，为未来的相关研究提供了重要的参考。