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加州理工學(xué)院高偉課題組 Adv. Mater.：QuantumDock自動(dòng)化計(jì)算框架指導(dǎo)基于分子印跡聚合物的可穿戴生物傳感器構(gòu)筑
2023-05-13  來源：高分子科技

  可穿戴汗液傳感器有望徹底改變精準(zhǔn)醫(yī)療，因?yàn)樗鼈兛梢苑乔秩胄缘厥占c個(gè)人健康狀況密切相關(guān)的分子信息。 然而，大多數(shù)臨床相關(guān)的生物標(biāo)志物無法通過現(xiàn)有的可穿戴生物傳感方法實(shí)現(xiàn)原位、連續(xù)檢測。 分子印跡聚合物 (MIP) 作為一種被稱為“塑料抗體”的聚合物成為了應(yīng)對這一挑戰(zhàn)有前途的候選者，但由于其復(fù)雜的設(shè)計(jì)和優(yōu)化過程會(huì)產(chǎn)生可變的選擇性，因此尚未得到廣泛使用。


  近日，加州理工學(xué)院高偉教授課題組介紹了一種稱之為QuantumDock的自動(dòng)化計(jì)算框架（圖1），用于指導(dǎo)基于分子印跡聚合物的通用型可穿戴生物傳感設(shè)備開發(fā)。QuantumDock 利用密度泛函理論來評估單體與目標(biāo)/干擾分子之間的分子相互作用進(jìn)而優(yōu)化其選擇性，而基于MIP的傳感器選擇性也是制約其向可穿戴發(fā)展的根本限制因素。 采用分子對接（molecular docking）方法來選擇并確定后續(xù) MIP 合成的最佳單體和交聯(lián)劑。此方法從根本上實(shí)現(xiàn)了通過理論指導(dǎo)最優(yōu)化基于分子印跡聚合物傳感器的合成，進(jìn)而避免了以往繁瑣實(shí)驗(yàn)過程優(yōu)化帶來的誤差，并且大大降低了優(yōu)化過程中的成本問題。此工作中以人體必需氨基酸-苯丙氨酸為例，使用溶液合成的 MIP 納米粒子結(jié)合紫外-可見光譜對 QuantumDock 進(jìn)行了成功的實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。此外，也設(shè)計(jì)了一種基于 QuantumDock 優(yōu)化的激光刻蝕石墨烯可穿戴設(shè)備，可以在靜止時(shí)執(zhí)行自主汗液刺激、采樣、傳感和校準(zhǔn)。此工作首次展示了可穿戴式非侵入性苯丙氨酸監(jiān)測在人類受試者中的個(gè)性化醫(yī)療應(yīng)用。 


圖1. QuantumDock自動(dòng)化計(jì)算框架指導(dǎo)基于分子印跡聚合物的可穿戴生物傳感器構(gòu)筑 


圖2. 基于 QuantumDock 的分子印跡聚合物優(yōu)化并實(shí)現(xiàn)苯丙氨酸選擇性識別

  作者從苯丙氨酸分子選擇性識別出發(fā)，先后通過分子數(shù)據(jù)庫生成-上百中分子對接可能性-氫鍵對接方式-最終指導(dǎo)基態(tài)連接方式，實(shí)現(xiàn)最優(yōu)化單體、交聯(lián)劑、單體與模板分子比例、合成溶劑等參數(shù)的自動(dòng)化優(yōu)化。 


圖3. 使用熱力學(xué)溶液方法合成的納米粒子對 QuantumDock 優(yōu)化的 Phe MIP 進(jìn)行實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證


  作者首先通過熱力學(xué)溶液相合成MIP納米顆粒的方法對QuantumDock計(jì)算結(jié)果進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，結(jié)果表明，使用不同單體、不同交聯(lián)劑合成的分子印跡聚合物粒子展現(xiàn)出了與 QuantumDock計(jì)算結(jié)果完美吻合的選擇性以及靈敏度（圖3）。 


圖4. 基于激光切割石墨烯的電化學(xué)苯丙氨酸傳感器表征


  接著，為了實(shí)現(xiàn)無創(chuàng)、可穿戴汗液分析，作者使用QuantumDock指導(dǎo)能夠電化學(xué)原位聚合的單體選擇，通過將最優(yōu)的分子印跡聚合物原位電化學(xué)聚合于激光刻蝕得到的石墨烯表面，最終實(shí)現(xiàn)了苯丙氨酸的電化學(xué)識別。為了實(shí)現(xiàn)復(fù)雜汗液中苯丙氨酸的選擇性識別，作者通過在傳感器貼片表面巧妙的構(gòu)筑pH、Na+、Temperature傳感器，實(shí)現(xiàn)了苯丙氨酸傳感器的原位矯正（圖4）。 


圖5. 全集成可穿戴柔性 MIP 基苯丙氨酸傳感器的設(shè)計(jì)以及人體汗液中苯丙氨酸評估


  最終，為了實(shí)現(xiàn)汗液中苯丙氨酸原位、連續(xù)、快速識別，設(shè)計(jì)了汗液按需刺激分泌系統(tǒng)、汗液收集微流道系統(tǒng)、全集成小型化數(shù)據(jù)采集及接收系統(tǒng)、汗液傳感器分析系統(tǒng)，并將以上單元通過工程學(xué)設(shè)計(jì)，構(gòu)筑了可穿戴的微型化汗液中苯丙氨酸分析設(shè)備的廉價(jià)構(gòu)筑，并且實(shí)現(xiàn)了人體汗液中苯丙氨酸的原位監(jiān)測（圖5）。


  該工作以“A Computationally Assisted Approach for Designing Wearable Biosensors toward Non-invasive Personalized Molecular Analysis”為題發(fā)表于Advanced Materials上，加州理工學(xué)院博士研究生Daniel Mukasa和加州理工學(xué)院博士后研究員Minqiang Wang為本文共同第一作者，其余作者包括加州理工學(xué)院博士研究生Jihong Min, Yiran Yang, Samuel A. Solomon, Hong Han, 以及博士后研究員Cui Ye。加州理工學(xué)院Wei Gao教授為唯一通訊作者。


  原文鏈接：https://onlinelibrary.wiley.com/doi/abs/10.1002/adma.202212161

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