東京科學大學物質理工學院的水野隼鬥助教、安樂泰孝副教授，與東京農工大學的赤木友紀副教授、九州大學先導物質化學研究所的福原學教授等人合作，開發出了可高精度、即時測量0.1～50兆帕水壓（靜水壓）的全新感測器「Pyr-PICsome」。相關研究成果已發表於期刊《ACS Applied Nano Materials》。
圖1 螢光隨靜水壓而變化的不同硬度的奈米粒子（圖片提供：東京科學大學）
圖2 a）Pyr-PICsome的合成路線圖。b）不同交聯劑添加濃度下製備的Pyr-PICsome粒徑分布。c）不同交聯劑添加濃度下製備的Pyr-PICsome原子力顯微鏡圖像。低交聯劑濃度下製備的粒子之所以表觀尺寸偏大（照片左側），是因為粒子較軟，被微懸臂壓扁所致。
從深海海底到細胞內部，水壓始終影響著各類環境中的化學反應和生命活動。近年來，水壓在醫療與生物學領域也受到關注，包括心肌細胞收縮、椎間盤機械穩態維持等。然而，由於傳統壓力感測器尺寸過大，此前沒有能即時、高空間解析度測量微小水溶液環境或生物組織內壓力的手段。
雖然螢光染料芘是一種已知的分子級壓力感測器，但它存在疏水性強、難溶於水，以及濃度變化會導致信號紊亂等致命弱點，因此一直被認為難以在複雜水環境或生物體內實現實用化。
研究團隊將目光投向了生物相容性優異、膜性質可自由調控的聚合物奈米膠囊「PICsome」。透過改變這種膠囊膜的化學鍵合程度（交聯濃度），在保持膠囊尺寸（約100奈米）不變的情況下，確立了一種可在7.3～39皮牛頓/奈米範圍內靈活調控膜硬度（彈性模量）的技術——研究團隊透過共價鍵將芘分子固定在該奈米膠囊膜上，合成得到「Pyr-PICsome」，並驗證了其在高水壓下的特性。
實驗結果顯示，透過調節膠囊硬度即可對壓力靈敏度進行靈活調整。膜最軟（7.3皮牛頓/奈米）的奈米感測器受壓後，膜內芘分子容易相互靠近並高效產生激發雙體螢光，因此，與最硬膜（39皮牛頓/奈米）的感測器相比，其壓力靈敏度實現了約14倍的顯著提升。
這種奈米感測器具有完全的水溶性。即使在鹽濃度較高的海水或富含蛋白質的細胞培養液中，膠囊也不會破裂或聚集，而是會極其穩定地工作，表現出優異的環境穩定性和生物相容性。此外，該感測器發出的激發雙體螢光壽命（約55～75奈秒）是生物體自然發出的噪聲光（自發螢光壽命不足5奈秒）的10倍以上，因此，透過時間域濾波，即使在雜質較多的複雜環境中也能不受背景雜訊干擾，僅提取出極為準確的壓力資料。
近年研究顯示，多種疾病與靜水壓的升高或降低與疾病發病有關；另一方面，疾病本身也可能引起局部壓力增減。
此次開發的奈米感測器，為無創、準確讀取此前無法觸及的生物體內或組織內目標微小部位的壓力提供了可能。這有望為開發前所未有的全新診斷策略作出重大貢獻，例如超早期發現壓力異常相關的特定疾病（組織水腫、青光眼、關節及軟骨疾病等），以及實現病理過程的可視化。
今後，研究團隊將透過在該奈米感測器表面修飾可識別特定細胞或組織的分子（配體），推進精密生物成像工具的實用化，以精準捕捉目標病變部位細胞間隙或細胞內微環境的壓力。此外，研究人員還將應用本次採用的、透過改變材料硬度來設計分子光學響應的模組化方法，致力於創造出不僅能感知壓力，還能同時感知其他物理和化學刺激的智慧型材料。同時，研究團隊還將進一步拓展該感測器的應用，使其成為一項強有力的基礎技術，以解開生命科學的一個根本謎題：深海微生物在極端環境下如何感知並適應壓力。受技術限制，此前這類測量無法開展。
原文：《科學新聞》
翻譯：JST客觀日本編輯部
【論文資訊】
期刊：ACS Applied Nano Materials
論文：A Programmable Nanovesicle Platform for Megapascal Pressure Sensing
DOI：10.1021/acsanm.6c02728
