精確控制離子濃度在發育、代謝、免疫應答、神經傳遞等許多生理過程中發揮著重要作用。而離子濃度失衡與高血壓、癲癇、抑鬱症、巴金森氏症、阿茲海默症等多種疾病密切相關。但是目前用於測量腦內離子動態的方法還存在諸多限制。
日本東北大學學際科學前緣研究所的郭媛元副教授、該校研究生院醫工學研究科的吉信達夫教授和吳京宣博士生等人的研究團隊，開發出了一種由聚合體製成的柔性神經離子探針，並在人工腦脊髓液（aCSF）環境中驗證了其具有高靈敏度、高選擇性和高穩定性。這種探針可同時監測鈉離子、鉀離子和氯離子，解決了既往神經器件技術面臨的微型化和多功能化難題，有望為闡明大腦和神經系統疾病中的離子動態狀況做出貢獻。相關研究成果已發表在《Talanta》上。
圖1 通過熱拉製伸技術實現的具有柔性和高靈敏度的神經離子探針（供圖：東北大學）
既往的監測技術在監測生物組織中同時實現多種離子的動態、器件的小型化及柔性化方面存在課題。為瞭解決這些問題，研究團隊合成了一種由碳奈米纖維（CNF）和石墨烯組成的複合碳材料，並利用對多根纖維進行組合拉伸的熱延伸技術，製備出整合4根碳電極的新型多功能纖維。
在製造神經離子探針的過程中，研究團隊通過雷射加工，對4根微米級電極的柔性功能纖維進行精密結構調整，提高了碳電極的靈敏度與穩定性。同時，通過在電極上塗覆離子選擇膜，實現了對鈉離子、鉀離子和氯離子的選擇性監測，並能同時高精度地記錄這些離子的動態。此外，設計還保留了1根電極用於電生理信號記錄，進一步增強了其多功能性。
研究團隊在aCSF環境中對所開發的神經離子探針的性能進行了評測，結果表明其對鈉離子、鉀離子和氯離子都表現出了很高的靈敏度和選擇性，並且具有良好的穩定性和耐久性。該探針兼具柔性和生物相容性，有望成為研究腦部及神經疾病中多離子動態的新工具，並為未來的醫療應用提供新的基礎技術。
研究團隊表示，熱延伸技術和離子載體修飾技術所開發的多功能神經離子探針，有望成為腦部和神經疾病研究及醫學診斷的新平台。
研究團隊計劃今後進一步提高探針的生物相容性並增加功能，以改進其長期性能並向臨床應用推進。此外，還計劃開發新的設計，使其在離子監測功能基礎上能夠同時測量其他生理信號（如溫度、pH值及代謝物濃度等）。
此外，利用該探針的柔性結構，它還有望用於個性化醫療和預防性醫療，例如，將其整合到服裝和頭帶中，用於日常健康監測等用途。
原文：《科學新聞》
翻譯：JST客觀日本編輯部
【論文資訊】
期刊：Talanta
論文：Advancing multiplexed ion monitoring techniques: the development of integrated thermally drawn polymer fiber-based ion probes
DOI：10.1016/j.talanta.2024.127249
