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

插入纳米复合水凝胶基磷光氧生物传感器的长期评估：局部组织氧水平和异物反应的演变

 

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

 

1.摘要内容

 

该论文摘要介绍了基于磷光寿命的氧传感水凝胶植入式生物传感器的长期性能和生物相容性研究。研究团队设计并评估了多种含有氧敏感磷光体的水凝胶传感器，这些磷光体通过微米和纳米载体系统稳定。这些传感器在年轻成年大鼠体内表现出超过三个月的良好性能和生物相容性。研究全面验证了磷光寿命传感器在体内的生物相容性和长期适用性，为开发一系列小型、低侵入性的临床相关代谢物传感器奠定了基础。

 

2.研究目的

 

评估基于磷光寿命的氧传感水凝胶植入式生物传感器的长期性能和生物相容性。

 

开发小型、柔软且生物相容性好的植入式生物传感器，克服现有经皮连续葡萄糖监测器（CGM）的局限性（如炎症、纤维化封装、皮肤并发症等）。

 

探索不同水凝胶载体和磷光体载体系统在体内的表现，为未来开发更多代谢物传感器（如葡萄糖、乳酸等）提供平台技术。

 

3.研究思路

 

传感器设计：

 

使用两种氧敏感磷光体（HULK和PdBP），分别通过微球封装（HULK-in-microspheres）和纳米纤维网络稳定（PdBP-in-nanoethylcellulose）。

 

选择四种水凝胶载体：1.5%藻酸盐（alginate）、20%明胶-藻酸盐-胶原（GAC）、20%牛血清白蛋白（BSA）、20%聚[2-（甲基丙烯酰氧基）乙基]磷酸胆碱（MPC）。

 

体外测试：

 

通过流动池系统测试传感器在不同氧浓度下的性能（图S2B）。

 

验证信号强度和信噪比（SNR）是否适合体内检测（图S3）。

 

离体测试：

 

在大鼠尸体皮下测试传感器信号穿透皮肤的能力（图S4）。

 

 

体内实验：

 

将传感器植入健康成年大鼠皮下，监测超过三个月的氧浓度变化（图5、图6）。

 

 

通过荧光成像（图6C）和组织学分析（图7、表1-3）评估传感器的生物相容性和降解情况。

 

 

 

 

 

 

数据分析：

 

比较不同传感器材料的氧敏感性、信号稳定性、生物相容性和降解特性。

 

4.测量的数据及其研究意义

 

磷光寿命和氧浓度：

 

通过磷光寿命读数计算局部组织氧浓度（图5、图6B）。

 

意义：验证传感器在体内长期监测氧浓度的能力，为临床应用中监测组织氧水平（如缺血、伤口愈合等）提供依据。

 

信噪比（SNR）：

 

评估信号强度和稳定性（图5）。

 

意义：确保传感器信号足够强，能够穿透皮肤并被可靠检测。

 

荧光成像：

 

可视化传感器在体内的分布和信号强度（图6C）。

 

意义：确认传感器位置固定且信号持续存在。

 

组织学分析：

 

评估传感器的生物相容性、降解状态和宿主反应（图7、表1-3）。

 

意义：证明所选水凝胶材料的生物相容性，并为未来优化降解速率提供依据。

 

Unisense电极测量数据：

 

在体外实验中，使用Unisense氧电极验证流动池系统中的氧浓度（图S2B）。

 

意义：作为金标准校准磷光寿命传感器的氧敏感性（图S3），确保体内数据的准确性。

 

5.结论

 

传感器性能：

 

所有传感器在体内均表现出稳定的氧敏感性，信号持续超过三个月（图5、图6B）。

 

PdBP-in-nanoethylcellulose传感器的信噪比更高，表明纳米纤维载体能更有效地分散磷光体（图6C）。

 

生物相容性：

 

组织学分析显示所有水凝胶材料均具有良好的生物相容性，未引起慢性炎症（图7、表1-3）。

 

蛋白基水凝胶（BSA、GAC）降解较快，而合成材料（MPC）更稳定。

 

临床意义：

 

该技术为开发小型、可植入的代谢物传感器（如葡萄糖、乳酸）奠定了基础。

 

可应用于监测外周动脉疾病、缺血再灌注损伤、糖尿病微血管病变等。

 

6.Unisense电极数据的详细解读

 

在体外实验中，Unisense氧电极用于验证流动池系统中的氧浓度（图S2B），其研究意义包括：

 

校准磷光寿命传感器：

 

Unisense电极提供精确的氧浓度测量，用于建立磷光寿命与氧浓度之间的线性关系（Stern-Volmer方程，图S3）。

 

确保传感器在体内报告的氧浓度数据可靠。

 

验证实验条件：

 

通过Unisense电极确认流动池中氧浓度的稳定性（0-257.9μM O₂），排除环境干扰。

 

支持体内数据解读：

 

体外校准数据直接用于计算体内氧浓度（图6B），证明传感器在复杂生物环境中的准确性。

 

Unisense电极的数据是研究的关键基准，确保了磷光寿命传感器的氧敏感性（KSV值，表4）和长期性能的可靠性。