基于单壁碳纳米管的光学生物传感器用于骨关节炎炎症反应中一氧化氮的实时监测

本文开发了一种基于单壁碳纳米管（SWCNTs）的光学传感器，通过检测骨关节炎（OA）关键生物标志物一氧化氮（NO），实现对炎症的实时无线监测。该传感器将ssDNA-SWCNTs嵌入GelMA水凝胶，并集成定制微型标签，在离体牛/人膝关节模型中展现出卓越的组织穿透性（达6mm）和机械稳定性（经2500次屈曲循环无位移），为骨科临床应用中短波红外（SWIR）技术的整合提供了新途径。

　　

章节亮点

用于标签监测的光学读数器

该光学读数器包含一个照明器，其LED的中心波长分别为657 ± 12 nm（标记为657 nm）和726 ± 21 nm（标记为726 nm），半高宽处的峰值强度（照明器光谱见图S1）。LED围绕物镜呈环形排列，交替放置20个657 nm和20个726 nm的LED。该装置可在657 nm和726 nm LED照明之间切换。照明器前安装有900 nm短通光学滤光片（肖特，KG3）。

光学读数器的开发

我们开发了一款定制的光学读数器，用于监测单壁碳纳米管（SWCNT）传感器的一氧化氮（NO）检测荧光。该读数器通过围绕成像物镜排列的LED阵列（图1A），用红光和红外光均匀照射目标区域。照明光的波段选择在657 nm和726 nm，以优化单壁碳纳米管的荧光强度，并兼顾单壁碳纳米管的激发光谱和生物组织的吸收特性（图S6）。

讨论

尽管荧光ssDNA-SWCNT传感器已在小鼠和大型哺乳动物中进行过研究（Hofferber等人，2022；Iverson等人，2013），证明在小鼠体内300天和绵羊体内21天均无可见毒性迹象，但它们在临床环境中的应用在很大程度上仍未得到探索。为填补这一空白，本研究开发了一种用于临床的植入式传感器标签和读数器设备的原型。该设备能够捕获动态的、浓度依赖性的短波红外（SWIR）荧光响应。

结论

本工作的重点在于实现装载有ssDNA-SWCNT:GelMA传感器的传感器标签及其读数技术。我们的研究结果通过证明基于单壁碳纳米管（SWCNT）的光学技术用于监测骨关节炎（OA）炎症的可行性，弥补了当前文献中的一个关键空白。与以往研究主要侧重于在动物体内验证光学单壁碳纳米管传感器响应不同，本研究通过定制水凝胶……