【背景介绍】
近来，大量研究集中在具有电子导电性的自愈水凝胶的研究上，因为导电自愈水凝胶在生物传感器，生物电子学和能量存储中的广泛应用。然而，事实证明，它们的sp2富碳杂化有机聚合物的低溶解度，较差的生物相容性和缺乏有效的刺激响应特性，已证明其在导电自愈水凝胶制备中的应用具有挑战性。
【科研摘要】
最近，韩国国立交通大学Sung Young Park教授团队开发了使用脲基嘧啶酮共轭明胶（Gel-UPy）的刺激响应电化学无线水凝胶生物传感器，该凝胶结合了含二硒化物的碳点（dsCD）用于癌症检测。谷胱甘肽（GSH）或活性氧（ROS）裂解水凝胶中dsCD的二硒键基团会引发氢键的形成，从而影响Gel-UPy/dsCD水凝胶的自愈能力，电导率和粘附性。与在生理条件下（MDCK）观察到的结果相比，Gel-UPy/dsCD水凝胶在肿瘤条件下（MDA-MB-231）显示出更快的愈合。另外，因为dsCD的降解，所以二硒键的裂解影响电化学信号。在暴露于高浓度的GSH或ROS后，水凝胶还具有出色的粘附性和体内癌症检测能力。基于Gel-UPy/dsCD的综合自愈，导电和粘附性，该水凝胶因其在肿瘤条件下的选择和敏感性而具有在生物医学（特别是涉及癌症检测）中的应用前景。该研究以题为“Diselenide-Bridged Carbon-Dot-Mediated Self-Healing, Conductive, and Adhesive Wireless Hydrogel Sensors for Label-Free Breast Cancer Detection”的论文发表在6月《ACS Nano》上。
【图文探讨】
1. 邻苯二酚二硒桥联碳点的合成与表征
作者首先合成含卤代邻苯二酚的烷烃（DOPA-Br）以形成碳-硒（C-Se）键（图1a），该键在最后的反应步骤中用作二硒键桥接的dsCD的前体。通过动态光散射（DLS）测量，Di（DOPA-Se）的粒径约为118.29 nm（图1b）。透射电子显微镜图像（图1c）进一步证实了二硒键与dsCD的断裂。经过GSH和H2O2处理后，粒径显着减小，这与DLS结果一致（图1d，e）。碳点因其可调的荧光而闻名，因此作者使用光致发光（PL）分光光度法分析了在用GSH和H2O2处理之前和之后dsCD纳米颗粒的荧光发射，如图1f所示。 此外，图1g显示由于猝灭而没有dsCD的荧光，这与用GSH（图1h）和H2O2（图1i）处理导致dsCD中二硒键基团氧化后观察到的荧光相反。
图1. dsCD的合成和表征。
2. Gel-UPy/dsCD水凝胶的制备与表征
水凝胶是通过使明胶与脲基嘧啶酮（UPy）经由异氰酸酯-胺基反应而制备的，由于存在UPy基团，它们可以通过利用多个氢键彼此牢固地结合，从而导致了自组装（图2a）。制成的水凝胶的视觉照片和自愈能力如图2b所示。此外，GSH-UPy/dsCD水凝胶在GSH或H2O2处理后具有出色的自愈特性（图2c），在存在或不存在氧化还原电势时，表现出明显的差异。为了提高清晰度，在示意图中显示了Gel-UPy/dsCD水凝胶的自愈机制（图2d，e）。在未进行治疗的情况下，水凝胶没有表现出自愈性，这可能是由于水凝胶中的分子间相互作用低所致。
图2.（a）Gel-UPy / dsCD水凝胶的合成和化学结构。（b）切割和粘贴后的摄影图像。（c）切割和粘附后，经GSH处理和H2O2处理的照片。（d）在pH 7.4 PBS中未修复。（e）在GSH和H2O2处理后由于氢键而自愈水凝胶的机理。
3. 电化学研究检查癌细胞反应性自愈凝胶-UPy6/dsCD水凝胶
为了验证Gel-UPy/dsCD水凝胶对癌细胞的自愈特性，将MDCK（正常）细胞和MDA-MB-231（癌细胞）细胞分别嵌入Gel-UPy/dsCD水凝胶中。含有MDCK细胞的Gel-UPy/dsCD水凝胶由于GSH浓度低而未表现出自愈特性（图3b）。相比之下，MDA-MB-231嵌入的Gel-UPy/dsCD水凝胶（101个细胞）在切割并附着后表现出自愈的能力（图3c）。为了消除水凝胶表面上的细胞，作者立即洗涤了水凝胶并观察到显示未测信号的信号（图3d）。但是，由于自愈现象，MDA-MB-231嵌入的水凝胶确实表现出粘附后电阻的显着降低，并且由于细胞从水凝胶上脱落而被洗涤后电阻的持久降低（图3e）。MDCK处理的水凝胶（图3f）在经受振荡剪切应变之前和之后均未显示出交联网络的恢复。
图3. Gel-UPy/dsCD水凝胶对癌细胞的自愈特性。
为了验证癌细胞依靠的电化学分析效果，进行了电化学阻抗谱（EIS）测试。 EIS结果在图4a，b中显示，嵌入水凝胶的细胞数量增加，增加了系统的抵抗力，无论细胞类型如何，这种情况都会发生。将水凝胶用细胞处理1小时，然后用PBS洗涤以从表面去除未粘附的细胞后，然后重复EIS实验。如图4c所示，嵌入MDCK的Gel-UPy/dsCD水凝胶显示出抗性降低，而MDA-MB-231处理的水凝胶显示出更高的下降，这是由于大量的GSH和H2O2裂解了二硒键的缘故。产生较小的颗粒，从而增强水凝胶的电子传导性（图4d）。此外，由-Se-Se-同时氧化还原过程形成-Se-O的二硒键断裂，由GSH和H2O2促进，由于另外的电荷转移相互作用和两种有机物之间的氢键形成，促进了质子-电子转移 Gel-UPy/dsCD水凝胶的电阻与MDCK和MDA-MB-231细胞的浓度有关，这些数据示于图4e。 在图4f中，MDCK组的XPS光谱中仍存在56.4 eV处的二硒化物（Se-Se）峰；然而，Se-Se的峰不存在，新的 Se-O出现在MDA-MB-231组（图4g）中，表明在癌细胞微环境中二硒化物的裂解。因此，这些基于水凝胶的生物传感器可用于响应于癌细胞产生的GSH或ROS，基于二硒化物介导的水凝胶的自愈作用来检测癌细胞。
图4.嵌入了MDCK和MDA-MB-231细胞的Gel-UPy / dsCD水凝胶的电化学分析。
4.基于Gel-UPy/dsCD水凝胶粘附性的体内癌细胞特异性自愈
基于其自愈特性，Gel-UPy/dsCD水凝胶还被用作体内癌症生物传感器。如图5c所示，将MDCK和MDA-MB-231细胞（106个细胞/20μL）注入皮下区域。1小时后监测水凝胶的自愈行为以检测癌症。Gel-UPy/dsCD水凝胶在正常组织上分离（图5d）。相反，癌组织上的Gel-UPy/dsCD水凝胶碎片形成了无法分离的单个水凝胶（图5e）。体内5天后，注射的Gel-UPy/dsCD水凝胶也保持了其原始干重的57％（图5f）。尽管在水凝胶植入5天后观察到炎症反应（图5g），但免疫反应在第10天时大多消失了（图5h）。
图5.使用Gel-UPy/dsCD水凝胶的离体粘结和体内癌症检测。
【观点总结】
作者报告了一种无线电化学自愈水凝胶生物传感器，该传感器基于二硒化物的裂解，以响应癌细胞中GSH和/或ROS的暴露。这种Gel-UPy/dsCD水凝胶具有肿瘤细胞依赖性的自愈特性，并具有优异的选择性，这是由于肿瘤之间存在不同的条件以及影响电化学信号和粘附行为的正常条件。水凝胶在使用MDA-MB-231细胞模拟的肿瘤条件下表现出快速的自愈作用，而在正常条件下（MDCK细胞），由于dsCD的二硒键的断裂导致氢键增加，水凝胶仍未愈合。此外，嵌入在水凝胶中的不同浓度的细胞还使作者能够区分电子反应，在肿瘤条件下检测到较高的缺口变化。有趣的是，由于用GSH和H2O2处理以增强Gel-UPy / dsCD的附着后，分子间相互作用（例如氢键和粒径）的差异，在与MDCK或MDA-MB-231细胞孵育期间，水凝胶的粘附性相当。体内分析还显示没有炎症的痕迹，从而证实了这些水凝胶具有出色的生物兼容性。这项研究提供了使用水凝胶生物传感器，特别是用于癌细胞检测的可能性，这扩大了各种生物医学应用的机会，例如癌症特异性药物递送和组织工程。
【通讯简介】
Sung Young Park，2001获釜山国立大学理学硕士，2005年获日本科学技术大学博士（JAIST）博士学位，2005-2006 在韩国科学技术院（KAIST）从事博士后研究。2009年加入韩国国立交通大学，现为教授。社会兼职编辑： Journal of Industrial and Engineering Chemistry；审稿人：Biomaterials, Advanced Functional Materials, Sensors and Actuators B, ACS Applied Materials and Interfaces等。共发表SCI论文超过134篇。
课题组网站：
psyfbl.com/
原文链接：
doi/10.1021/acsnano.0c02517?fig=fig4&ref=pdf
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