《Microchemical Journal》：Magnetic-sensitization biosensor based on multi-field coupling for MMP-3 detection
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磁-应力-电耦合表面应力生物传感器检测MMP-3的研究，通过掺杂Fe3O4纳米颗粒至PDMS转换层，在磁场作用下实现重力干扰消除和表面形变放大，检测限低至3.16 ng/mL，验证了磁敏化对传感器性能的提升。
吴思彤|于星波|王浩宇|郭星|周创刚|赵东|桑胜波
中国太原理工大学集成电路学院，微纳传感器与人工智能感知山西省重点实验室，太原 030024
摘要
基质金属蛋白酶3（MMP-3）作为骨关节炎（OA）的生物标志物受到了越来越多的关注，因为它在疾病的早期预防和诊断中起着关键作用。在本研究中，我们通过将磁性纳米粒子掺入表面应力传感器的转换层来实现磁电耦合和磁敏化，从而引入磁力。在磁场的作用下，掺有Fe3O4纳米粒子的聚二甲基硅氧烷复合膜消除了敏感膜的重力干扰，并放大了其由表面应力引起的凹凸变形。通过检测与OA相关的MMP-3来验证这种生物传感器的磁敏化效果，其检测限（LOD）达到了3.16 ng/mL，显著低于未加磁场的情况。此外，这种磁应力-电耦合生物传感器表现出高特异性、选择性和稳定性。总体而言，结果表明磁敏化提高了表面应力生物传感器检测MMP-3的性能。该生物传感器还为OA标志物的敏感定性和定量临床检测提供了一个平台。
引言
骨关节炎（OA）是老年人中一种常见的退行性关节疾病[[1], [2], [3]]。2024年的流行病学数据显示，全球约有5.28亿人患有此病，凸显了其重大的公共卫生负担[4]。尽管传统的成像方法（如X射线摄影、磁共振成像）在临床评估中仍然很重要，但它们缺乏检测早期分子变化的敏感性，从而限制了其在预防性治疗干预中的应用。转化研究的进步提高了识别疾病特异性生物标志物的技术，使得精准医疗成为可能。目前的诊断策略依赖于分析生物液体中的生化标志物，包括血清[[4], [5], [6]]、滑液[7,8]和尿液[9,10]。基质金属蛋白酶3（MMP-3）是由滑膜和滑液中的软骨细胞分泌的关键蛋白酶[11]。与健康对照组相比，OA患者的受影响组织中MMP-3水平持续升高，因此可能与疾病严重程度和放射学进展相关[[12], [13], [14], [15], [16]]。由于其作为生物标志物的特性，MMP-3成为早期检测和预后评估的有希望的候选者。尽管具有临床相关性，现有的检测方法（如电化学免疫传感器[17,18]、表面等离子体共振平台[19,20]和酶联免疫测定[21,22]）受到繁琐的样本制备协议、较长的检测时间和高昂成本的阻碍。相比之下，应力-电耦合生物传感器由于其无标记检测和低成本而更具优势。
表面应力生物传感器是一种重要的应力-电耦合生物传感器类型。它们可以将抗原和抗体之间的特定组合引起的表面应力转化为电信号，从而实现生物标志物的定性和定量检测[23,24]。传统的力-电转换膜生物传感器的感知范围有限，检测限相对较高，不足以测量低浓度的分析物。研究人员提出了多种方法来提高表面应力生物传感器的敏感性，包括改变生物传感器结构（用薄膜结构替换悬臂梁）、减小膜厚度以及提高转换层的敏感性。这一追求导致了磁敏生物传感器的发展。这些生物传感器利用磁性材料的独特性质来提高对微弱信号的敏感性，放大生物分子的信号，从而增强传感器的灵敏度和检测限。磁性纳米粒子可以集成到柔性基底中，创造出具有磁机械响应性的柔性基底，从而通过外部磁场调节膜形状。聚二甲基硅氧烷（PDMS）是一种广泛用于合成此类薄膜的材料[[25], [26], [27]]。与依赖磁弹性或磁阻效应的传统磁性生物传感器不同，后者通常需要复杂的制造过程或大型仪器，我们开发了一种磁应力-电耦合机制。也就是说，我们制备了掺有磁性粒子的PDMS薄膜，在磁场作用下表现出放大的凹凸变形，同时减轻了重力干扰并提高了应力传导效率。这一策略建立在之前探索PDMS基复合材料用于柔性传感器的研究基础上，但独特地集成了磁敏化技术，以解决表面应力检测中的特定挑战。
在这项研究中，我们开发了一种基于磁应力-电三场耦合的MMP-3检测生物传感器。通过集成磁性纳米粒子和施加磁场来提高生物传感器的性能。为了优化导电层对信号的影响，选择了金属钯作为导电材料。生物传感器的转换层是通过将PDMS与具有强磁性的Fe3O4纳米粒子混合合成的。这种组成使得磁力和应力能够转化为电信号。我们还探讨了在不同浓度的磁性粒子和不同磁场强度下的生物传感器效果，以进行优化。该生物传感器旨在准确分析与OA相关的生物标志物MMP-3。实验研究表明，基于磁应力-电耦合的磁敏化效果显著。同时也评估了生物传感器的整体性能。
材料
材料
1-(3-二甲基氨基丙基)-3-乙基碳二亚胺（EDC）、N-羟基琥珀酰亚胺（NHS）、聚丙烯酸（PAA）和半胱胺（CYS）由中国上海Aladdin生化技术有限公司提供。PDMS（Sylgard 184硅橡胶套件）由美国密歇根州米德兰的Dow Corning公司提供。MMP-3人源重组蛋白和MMP-3抗体由中国河北Pinkeyan生物技术有限公司购买。粒径为100 nm的Fe3O4纳米粒子由HEOWNS提供
表征
通过SEM观察了生物传感器的表面外观。如图2(a)所示，生物传感器由三层组成：AuNPs层、PDMS层和PdNPs层。使用图2(e)中的台阶 profiler测量，PDMS膜的厚度为10.04 μm。图中的明显凸起可能是由于PDMS的流动性导致的，在未完全固化时会在边缘堆积。图2(b)显示，直径为44.00 nm的AuNPs均匀分布在球形结构中
结论
总之，本研究开发了一种多场耦合敏化生物传感器，作为检测MMP-3甚至其他OA生物标志物的潜在临床工具。该传感器的网络结构为电子提供了导电通道，从而对微变形和表面应力具有高敏感性。作为概念验证，制备的生物传感器被设计为专门检测MMP-3，显示出30至100 ng/mL的线性检测范围和3.16 ng/mL的检测限。
作者贡献
本手稿由所有作者共同撰写。所有作者均同意最终版本的手稿。
利益声明。
作者声明他们没有已知的竞争性财务利益或个人关系可能会影响本文报告的工作。
作者贡献声明
吴思彤：撰写——原始草案、验证、方法学、正式分析。于星波：方法学。王浩宇：验证、方法学。郭星：监督、概念化。周创刚：监督、项目管理。赵东：撰写——审阅与编辑、验证、监督、项目管理、方法学、调查、正式分析、概念化。桑胜波：资金获取、概念化。
资金来源
本研究部分得到了国家自然科学基金（项目编号：62031022和51975400）的支持，部分得到了山西省青年基础研究计划（项目编号：20210302124557和20210302124164）的支持，以及山西省重点研发计划（项目编号：202202010101004）的支持。
