Long-Term Evaluation of Inserted Nanocomposite Hydrogel-Based Phosphorescent Oxygen Biosensors: Evolution of Local Tissue Oxygen Levels and Foreign Body Response

插入納米復合水凝膠基磷光氧生物傳感器的長期評估：局部組織氧水平和異物反應的演變

 

來源：ACS Applied Bio Materials 2024,7, 3964–3980

 

1.摘要內容

 

該論文摘要介紹了基于磷光壽命的氧傳感水凝膠植入式生物傳感器的長期性能和生物相容性研究。研究團隊設計并評估了多種含有氧敏感磷光體的水凝膠傳感器，這些磷光體通過微米和納米載體系統(tǒng)穩(wěn)定。這些傳感器在年輕成年大鼠體內表現(xiàn)出超過三個月的良好性能和生物相容性。研究全面驗證了磷光壽命傳感器在體內的生物相容性和長期適用性，為開發(fā)一系列小型、低侵入性的臨床相關代謝物傳感器奠定了基礎。

 

2.研究目的

 

評估基于磷光壽命的氧傳感水凝膠植入式生物傳感器的長期性能和生物相容性。

 

開發(fā)小型、柔軟且生物相容性好的植入式生物傳感器，克服現(xiàn)有經(jīng)皮連續(xù)葡萄糖監(jiān)測器（CGM）的局限性（如炎癥、纖維化封裝、皮膚并發(fā)癥等）。

 

探索不同水凝膠載體和磷光體載體系統(tǒng)在體內的表現(xiàn)，為未來開發(fā)更多代謝物傳感器（如葡萄糖、乳酸等）提供平臺技術。

 

3.研究思路

 

傳感器設計：

 

使用兩種氧敏感磷光體（HULK和PdBP），分別通過微球封裝（HULK-in-microspheres）和納米纖維網(wǎng)絡穩(wěn)定（PdBP-in-nanoethylcellulose）。

 

選擇四種水凝膠載體：1.5%藻酸鹽（alginate）、20%明膠-藻酸鹽-膠原（GAC）、20%牛血清白蛋白（BSA）、20%聚[2-（甲基丙烯酰氧基）乙基]磷酸膽堿（MPC）。

 

體外測試：

 

通過流動池系統(tǒng)測試傳感器在不同氧濃度下的性能（圖S2B）。

 

驗證信號強度和信噪比（SNR）是否適合體內檢測（圖S3）。

 

離體測試：

 

在大鼠尸體皮下測試傳感器信號穿透皮膚的能力（圖S4）。

 

 

體內實驗：

 

將傳感器植入健康成年大鼠皮下，監(jiān)測超過三個月的氧濃度變化（圖5、圖6）。

 

 

通過熒光成像（圖6C）和組織學分析（圖7、表1-3）評估傳感器的生物相容性和降解情況。

 

 

 

 

 

 

數(shù)據(jù)分析：

 

比較不同傳感器材料的氧敏感性、信號穩(wěn)定性、生物相容性和降解特性。

 

4.測量的數(shù)據(jù)及其研究意義

 

磷光壽命和氧濃度：

 

通過磷光壽命讀數(shù)計算局部組織氧濃度（圖5、圖6B）。

 

意義：驗證傳感器在體內長期監(jiān)測氧濃度的能力，為臨床應用中監(jiān)測組織氧水平（如缺血、傷口愈合等）提供依據(jù)。

 

信噪比（SNR）：

 

評估信號強度和穩(wěn)定性（圖5）。

 

意義：確保傳感器信號足夠強，能夠穿透皮膚并被可靠檢測。

 

熒光成像：

 

可視化傳感器在體內的分布和信號強度（圖6C）。

 

意義：確認傳感器位置固定且信號持續(xù)存在。

 

組織學分析：

 

評估傳感器的生物相容性、降解狀態(tài)和宿主反應（圖7、表1-3）。

 

意義：證明所選水凝膠材料的生物相容性，并為未來優(yōu)化降解速率提供依據(jù)。

 

Unisense電極測量數(shù)據(jù)：

 

在體外實驗中，使用Unisense氧電極驗證流動池系統(tǒng)中的氧濃度（圖S2B）。

 

意義：作為金標準校準磷光壽命傳感器的氧敏感性（圖S3），確保體內數(shù)據(jù)的準確性。

 

5.結論

 

傳感器性能：

 

所有傳感器在體內均表現(xiàn)出穩(wěn)定的氧敏感性，信號持續(xù)超過三個月（圖5、圖6B）。

 

PdBP-in-nanoethylcellulose傳感器的信噪比更高，表明納米纖維載體能更有效地分散磷光體（圖6C）。

 

生物相容性：

 

組織學分析顯示所有水凝膠材料均具有良好的生物相容性，未引起慢性炎癥（圖7、表1-3）。

 

蛋白基水凝膠（BSA、GAC）降解較快，而合成材料（MPC）更穩(wěn)定。

 

臨床意義：

 

該技術為開發(fā)小型、可植入的代謝物傳感器（如葡萄糖、乳酸）奠定了基礎。

 

可應用于監(jiān)測外周動脈疾病、缺血再灌注損傷、糖尿病微血管病變等。

 

6.Unisense電極數(shù)據(jù)的詳細解讀

 

在體外實驗中，Unisense氧電極用于驗證流動池系統(tǒng)中的氧濃度（圖S2B），其研究意義包括：

 

校準磷光壽命傳感器：

 

Unisense電極提供精確的氧濃度測量，用于建立磷光壽命與氧濃度之間的線性關系（Stern-Volmer方程，圖S3）。

 

確保傳感器在體內報告的氧濃度數(shù)據(jù)可靠。

 

驗證實驗條件：

 

通過Unisense電極確認流動池中氧濃度的穩(wěn)定性（0-257.9μM O?），排除環(huán)境干擾。

 

支持體內數(shù)據(jù)解讀：

 

體外校準數(shù)據(jù)直接用于計算體內氧濃度（圖6B），證明傳感器在復雜生物環(huán)境中的準確性。

 

Unisense電極的數(shù)據(jù)是研究的關鍵基準，確保了磷光壽命傳感器的氧敏感性（KSV值，表4）和長期性能的可靠性。