可穿戴生物传感器在分子水平检测口腔炎症

德克萨斯农工大学（Texas A&M University）的研究人员研发出一种可穿戴、可与组织黏附的生物传感器，可在分子精度下检测口腔中的炎症生物标志物。当前检测牙龈疾病通常需要坐上牙科诊疗椅并进行目视检查，往往在组织损伤已经开始后才发现问题。

一位土木与环境工程副教授开发并测试了一种多层传感器，使其能够在湿润的口腔环境中工作，并在说话和进食时仍保持贴附。贴片的专用传感层以tumor necrosis factor-alpha (TNF-α) 蛋白为靶标，这是炎症的关键生物标志物。相关研究发表于期刊 Science Advances。

graphene-MXene 传感层可结合特异性探针，这些探针仅会与靶蛋白结合。该层本身具有导电性，当靶蛋白等分子发生结合时，可测量电荷变化。由此可在飞克/毫升（fg/mL）水平实现高灵敏检测。

研究显示，其检测限低至 18.2 fg/mL。为便于理解，1 千万亿飞克（即 1 后面跟 15 个 0）才相当于 1 克。该传感器可检测到每毫升 100 至 150（的水平），而作为对照，病毒感染患者可能在每毫升 1,000 万或 10 亿个病毒拷贝时才出现症状。实现如此灵敏度具有挑战性，尤其是在同时可能检测到非目标生物标志物的情况下。不过，外层结构有助于提高贴片的选择性。

这种组织黏附水凝胶还包含一层选择性通透的水凝胶层，有助于过滤不需要的分子。密歇根州立大学（Michigan State）的一位机械工程助理教授参与开发了组织黏附水凝胶以及选择性通透水凝胶。更强的组织黏附也有助于提升传感层的检测准确性。

传感测量会受到组织动态运动的显著影响。更牢固的组织结合可使传感性能在不受应变影响的情况下更可靠。选择性通透层类似网格晶格结构，仅允许特定尺寸的分子通过。该层与生物标志物之间的化学相互作用也可能有助于实现选择性。

研究人员系统性测试了几种大小相近的生物分子。由于生物分子与周围聚合物网络之间的相互作用，选择性增强，从而可区分不同生物分子的传输。后续工作将研究这些不同相互作用，可能通过设计与特定生物分子发生相互作用的特异性水凝胶，以靶向多种不同生物标志物。

研究人员在德克萨斯农工大学医学院（College of Medicine）微生物致病与免疫学系一位 Regents' Professor 的协助下，测试了这种无创贴片。在该实验中，研究团队选择豚鼠，因为它们相对易于操作，并且与人类在多方面具有相似特征，尤其是在口腔炎症方面。

TNF-α 蛋白是一种细胞因子，几乎总是参与软组织感染相关的炎症。研究目标是评估这类系统是否能够实现快速的即时检测（point-of-care）。密歇根大学（University of Michigan）的一位牙科学院副教授认识到在口腔内检测 TNF-α 的重要性，并就生物标志物与牙科疾病提供了宝贵见解。

口腔感染可导致严重健康问题，如牙龈疾病和牙齿脱落，若不治疗还可能进一步加重。在症状出现前快速诊断感染的能力，或可推动口腔医疗从被动应对转向前瞻性干预。

本研究中使用动物仅用于证明该概念可行。下一步将是在动物中开展——并最终在人体中开展——临床试验。未来研究还可基于所用材料的多功能性，将此类生物传感器适配到身体其他部位并用于不同生物标志物。