精确控制离子浓度在发育、代谢、免疫应答、神经传递等许多生理过程中发挥着重要作用。而离子浓度失衡与高血压、癫痫、抑郁症、帕金森病、阿尔茨海默病等多种疾病密切相关。但是目前用于测量脑内离子动态的方法还存在诸多限制。
日本东北大学学际科学前沿研究所的郭媛元副教授、该校研究生院医工学研究科的吉信达夫教授和吴京宣博士生等人的研究团队，开发出了一种由聚合物制成的柔性神经离子探针，并在人工脑脊髓液（aCSF）环境中验证了其具有高灵敏度、高选择性和高稳定性。这种探针可同时监测钠离子、钾离子和氯离子，解决了既往神经器件技术面临的微型化和多功能化难题，有望为阐明大脑和神经系统疾病中的离子动态状况做出贡献。相关研究成果已发表在《Talanta》上。
图1 通过热拉伸技术实现的具有柔性和高灵敏度的神经离子探针（供图：东北大学）
既往的监测技术在监测生物组织中同时实现多种离子的动态、器件的小型化及柔性化方面存在课题。为了解决这些问题，研究团队合成了一种由碳纳米纤维（CNF）和石墨烯组成的复合碳材料，并利用对多根纤维进行组合拉伸的热延伸技术，制备出集成4根碳电极的新型多功能纤维。
在制造神经离子探针的过程中，研究团队通过激光加工，对4根微米级电极的柔性功能纤维进行精密结构调整，提高了碳电极的灵敏度与稳定性。同时，通过在电极上涂覆离子选择膜，实现了对钠离子、钾离子和氯离子的选择性监测，并能同时高精度地记录这些离子的动态。此外，设计还保留了1根电极用于电生理信号记录，进一步增强了其多功能性。
研究团队在aCSF环境中对所开发的神经离子探针的性能进行了评测，结果表明其对钠离子、钾离子和氯离子都表现出了很高的灵敏度和选择性，并且具有良好的稳定性和耐久性。该探针兼具柔性和生物相容性，有望成为研究脑部及神经疾病中多离子动态的新工具，并为未来的医疗应用提供新的基础技术。
研究团队表示，热延伸技术和离子载体修饰技术所开发的多功能神经离子探针，有望成为脑部和神经疾病研究及医学诊断的新平台。
研究团队计划今后进一步提高探针的生物相容性并增加功能，以改进其长期使用性能并向临床应用推进。此外，还计划开发新的设计，使其在离子监测功能基础上能够同时测量其他生理信号（如温度、pH值及代谢物浓度等）。
此外，利用该探针的柔性结构，它还有望用于个性化医疗和预防性医疗，例如，将其整合到服装和头带中，用于日常健康监测等用途。
原文：《科学新闻》
翻译：JST客观日本编辑部
【论文信息】
期刊：Talanta
论文：Advancing multiplexed ion monitoring techniques: the development of integrated thermally drawn polymer fiber-based ion probes
DOI：10.1016/j.talanta.2024.127249
