基于聚合物纳米纤维的电极用于黑色素瘤诊断中的酪氨酸酶检测

《Sensors and Actuators Reports》：Polymer nanofiber-based electrodes for tyrosinase detection in melanoma diagnosis

基于聚酰胺6和导电聚吡咯纳米纤维的可弃用电化学传感器，通过优化纤维排列结构提升酪氨酸酶检测的灵敏度与选择性，为早期黑色素瘤无创诊断提供新方案。

　　
本研究团队开发了一种基于电纺聚酰胺6（PA6）纳米纤维与导电聚吡咯（PPy）复合材料的 disposable电化学生物传感器，旨在实现黑色素瘤早期快速检测。该技术通过整合材料科学、生物工程与电化学检测原理，构建了具有高灵敏度与选择性的新型诊断工具。

研究背景显示，黑色素瘤具有高侵袭性和转移倾向，现有诊断方法主要依赖皮肤组织活检与光学检测，存在操作复杂、创伤性强、无法实时监测等缺陷。酪氨酸酶作为黑色素合成的关键酶，其活性与黑色素瘤发生直接相关，但传统检测方法难以实现体液中的实时监测。基于此，研究团队创新性地采用电纺纳米纤维技术构建生物传感器平台。

在材料制备方面，采用双轴定向电纺工艺制备PA6纳米纤维，通过调节注射速率（0.1 mL/h）、电场强度（20 kV）和集电极转速（2500 rpm）实现纤维直径（137-252 nm）与排列结构的精准调控。随后通过化学聚合法在纳米纤维表面沉积PPy导电层，并引入三明治结构修饰层（APTES/DA）以增强生物分子结合能力。这种多层复合结构不仅实现了纤维表面功能化，还通过调控纤维取向改善电荷传输路径。

性能测试表明，定向排列的PA6-PPy纳米纤维复合材料展现出显著优势：其检测限低至0.029 mg/mL（血清环境），灵敏度达76.6 μA·mg?1·mL·cm?2，较传统平面电极提升约2.3倍。选择性系数Ks值优化至0.95（定向结构），较随机排列结构提升42%，有效抑制了尿素、尿酸、抗坏血酸等常见生物干扰物的交叉响应。特别值得关注的是，定向纳米纤维通过形成有序的导电网络，在保持高比表面积（~800 m2/g）的同时，显著增强了活性位点对目标酶的捕获效率。

稳定性测试显示，定向结构在4℃储存23天后仍保持98.3%的信号稳定性，其表面粗糙度（Ra=56.8 nm）与孔隙分布特征有效减缓了氧化还原活性物质（DA/DQ）的衰减速度。对比实验发现，定向排列的纳米纤维在电场作用下可形成连续的电子传导通道，使电流响应时间缩短至90秒内，较传统无序结构提升约40%。

在生物样本测试中，该传感器在复杂基质（含0.5 mg/mL Tyr的血清）中仍能保持0.047 mg/mL的超低检测限，表明其抗基质干扰能力优异。研究特别设计了选择性验证实验，通过梯度混合干扰物质（1:1至1:1:1:1比例），发现定向结构可将非目标物质干扰降低至3.5%以下，为临床实际应用提供了重要参考。

技术突破体现在三个关键层面：首先，通过电纺工艺参数优化（转速2500 rpm、溶液浓度15% w/w），实现了纳米纤维直径的纳米级调控，为酶分子提供精准的微纳反应场；其次，PPy涂层与DA功能化层形成独特的"三明治"结构，其中PPy层（厚度约50 nm）既保证导电性又形成物理屏障，DA层（分子量约500 Da）的引入显著增强了酪氨酸酶的特异性结合。最后，通过定向排列构建的纤维网络（沿电极表面形成10-15°倾斜角），有效缩短了电子迁移路径，使氧化电流响应提升近3倍。

临床应用前景方面，该技术展现出三大优势：其一， disposable设计（单次使用）避免了交叉污染，单次检测成本低于0.5美元；其二，微型化电极（2×2 cm2）便于集成至可穿戴设备，实验显示在弯曲半径10 mm的条件下仍能保持95%以上信号稳定性；其三，多参数检测潜力，研究团队已初步验证可同时检测酪氨酸酶活性与黑色素生成相关代谢物（如多巴胺、DOPA-quinone等）。

未来改进方向包括：开发微流控集成系统以实现样本前处理与检测一体化，预计可将检测时间缩短至5分钟内；引入柔性基底材料（如PDMS）提升可穿戴性；通过机器学习算法优化检测参数，建立个体化诊断模型。此外，研究团队正与临床中心合作开展队列研究，计划在3年内完成超过500例患者的验证试验。

该研究为个性化医疗提供了新思路，其核心价值在于将实验室级纳米技术转化为可量产的消费品级诊断设备。通过材料工程与系统设计的协同创新，成功解决了传统生物传感器在复杂生物环境中的稳定性与特异性难题，为皮肤癌早期筛查开辟了新路径。