基于一阶优势的三维细胞培养葡萄糖电化学生物传感器计算机辅助构建与应用研究

研究人员针对三维细胞培养中葡萄糖监测的难题，开发了一种新型电化学生物传感器GO/AuPtPd NPs/Ch-IL/MWCNTs-IL/GCE，通过多壁碳纳米管-离子液体复合物修饰玻碳电极，结合金铂钯纳米合金和三步实验设计优化，采用RBF-ANN算法实现0.5-35 fM超灵敏检测，LOD达0.21 fM，为细胞代谢研究提供创新工具。

　　

在生物医学研究领域，三维细胞培养技术因其能更好模拟体内微环境而备受关注，但传统监测方法存在明显局限。光学传感器易受生物污染和光降解影响，荧光标记可能产生非特异性干扰，而现有电化学传感器又难以满足三维培养体系对灵敏度和稳定性的双重需求。尤其对于胰腺导管腺癌（PDAC）这类恶性程度高、五年生存率不足5%的疾病，建立可靠的三维肿瘤模型并实现精准代谢监测，对药物开发和机制研究具有重要意义。

伊朗克尔曼沙医科大学药物科学研究中心的Ali R. Jalalvand团队在《Sensing and Bio-Sensing Research》发表研究，创新性地将计算机辅助设计与电化学生物传感技术相结合。研究团队通过系统优化电极修饰材料组合，采用多壁碳纳米管-离子液体(MWCNTs-IL)增强导电性，壳聚糖-离子液体(Ch-IL)构建三维网络，电化学合成金铂钯三元纳米合金(AuPtPd NPs)提升催化活性，最终开发出具有超灵敏检测性能的葡萄糖生物传感器。

关键技术包括：1）采用两步实验设计（MRRFD筛选+FCCCD优化）确定最佳制备参数；2）通过CV、EIS和SEM表征传感器结构；3）应用8种一阶多元校正算法（PLS-1、RBF-ANN等）处理安培数据；4）在含20万MIA PaCa-2细胞的三维培养体系中验证性能。

【3.1 生物传感器结构表征】循环伏安测试显示，AuPtPd NPs/Ch-IL/MWCNTs-IL/GCE的电荷转移电阻降至115 Ω，比裸电极降低88%。SEM证实纳米颗粒均匀分布在直径20-30 nm的碳管网络上，有效增大了比表面积。

【3.3 实验条件优化】通过最小运行分辨率IV析因设计筛选出3个关键参数：MWCNTs-IL用量（22 μL）、CV循环次数（25次）和转速（4500 rpm）。响应面分析表明三者协同作用可使电流响应提升32%。

【3.4 葡萄糖检测性能】在细胞培养基复杂基质中，RBF-ANN算法表现出最优预测性能（REP=0.41%），灵敏度达0.9931 μA/fM，较传统PLS-1方法提高26倍。Michaelis-Menten常数低至0.38 fM，表明酶-底物亲和力极强。

【3.5 稳定性验证】传感器在30天内保持98.8%初始活性，批内和批间RSD分别为3.33%和3.48%，满足长期监测需求。与文献相比，其检测限比同类传感器降低7个数量级。

该研究突破性地将化学计量学与纳米材料工程相结合，首次实现飞摩尔级葡萄糖的精准监测。所建立的计算机辅助传感器设计范式，不仅为器官芯片和类器官研究提供实时代谢分析工具，更开创了智能生物传感系统开发的新思路。特别是对胰腺癌等代谢异常疾病的研究，这种能穿透三维培养体系的高精度传感器，将极大促进肿瘤微环境研究和个性化治疗方案开发。未来通过集成更多传感单元，该平台有望扩展为多参数细胞代谢监测系统。