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这篇综述聚焦碳基纳米材料（CBNs）与类器官技术的融合。探讨其在生物医学应用中提升生物传感能力的作用，涵盖改善生物相容性策略、类器官研究中的应用，还展望未来发展，对推进类器官研究及临床应用意义重大。
引言
类器官是由多能干细胞（PSCs），如胚胎干细胞或诱导多能干细胞（iPSCs），或直接从人体组织样本获取的成体干细胞衍生而来的 3D 结构。相较于传统的 2D 单层培养和 3D 组织构建体，类器官能更精准地模拟人体组织的结构、细胞组成和功能，可有效模拟生理和病理环境，在生物医学研究中应用广泛，从再生医学到精准药物筛选等领域均有涉及。
然而，利用类器官面临的一大挑战是，传统生物学检测方法存在局限，传统成像技术的穿透深度和分辨率受限，难以对类器官内部微环境进行实时、非侵入性监测。生物传感器为这一难题提供了创新解决方案，其与类器官的整合能实时、持续地可视化细胞行为，获取代谢活动、电生理、分子信号传导和微环境变化等动态、高分辨率数据。
碳基纳米材料（CBNs）因独特的物理（光学、电学和机械）和化学性质，在生物传感器和设备开发中应用广泛。多种 CBNs，如碳纳米管（CNTs）、石墨烯、氧化石墨烯（GO）、还原氧化石墨烯（rGO）、碳点（CDs）和富勒烯，各具独特功能，适用于众多生物医学应用。例如，CNTs 电导率和机械强度出色，适合制造高性能生物传感器；石墨烯由单层碳原子组成，导电性和比表面积优异，基于石墨烯的生物传感器用于心脏类器官可高灵敏度监测电活动。GO 和 rGO 经石墨烯氧化制备，易于功能化，生物相容性良好；CDs 水溶性佳、能增强荧光信号，适合生物成像和传感；富勒烯独特的笼状结构，在基于类器官的药物递送和氧化应激监测方面颇具潜力。
此外，CBNs 融入类器官不仅提升传感能力，还能增强类器官的机械性能和结构完整性，促进细胞黏附与组织样结构形成，在心脏和肌肉组织工程等领域意义重大。不过，将 CBNs 与类器官整合也面临挑战，如生物惰性、细胞毒性和生物相容性问题，需通过修饰表面性质和尺寸等策略加以解决，同时要开发可扩展的制造技术，以推动生物医学研究进展。
类器官系统中生物传感器的设计标准
设计用于监测类器官行为的有效生物传感器，需综合考量多方面因素。一方面，要确定信号采集位置，是细胞外还是细胞内；同时明确目标生物标志物是细胞分泌的，还是位于细胞内或细胞表面。另一方面，基于不同的生物传感器构建方法，还需考虑各种提升碳基纳米材料（CBNs）生物相容性的策略，以确保生物传感器性能准确可靠。
碳基纳米材料（CBNs）生物传感器在类器官研究中的应用
生物传感技术的不断进步，显著增强了对类器官中复杂生物过程的研究和建模能力，在药物筛选、疾病建模和个性化医学等领域前景广阔。以用于肝脏芯片（LOC）平台的低成本 3D 打印葡萄糖生物传感器为例，它能够实时监测肝脏类器官的葡萄糖代谢情况，为研究肝脏疾病和药物肝毒性提供了有力工具。在神经类器官研究中，基于碳纳米管（CNTs）的生物传感器可实现单细胞分辨率的神经元活动监测，有助于深入了解神经退行性疾病，如阿尔茨海默病和帕金森病的发病机制，优化疾病模型。
未来方向
碳基纳米材料（CBNs）与类器官研究的结合，为理解复杂生物系统和推进生物医学应用开辟了新途径，但目前其潜力尚未完全挖掘。未来发展主要聚焦两个关键领域：一是提升 CBNs 在类器官生物传感中的功能，通过优化材料结构和性能，开发更灵敏、特异的生物传感器；二是利用患者特异性类器官模型推动个性化医学发展，根据患者个体差异构建类器官模型，实现精准药物筛选和疾病治疗。这些进展有望为生物医学研究带来更多突破。
结论
碳基纳米材料（CBNs）与类器官系统的整合，是生物医学研究和治疗模型领域的重大进展。将纳米生物传感器嵌入类器官，可实时监测生物化学和生物物理变化，为器官发育、疾病机制研究提供关键信息，有力推动了生物医学研究和临床应用的发展。
