《Biosensors and Bioelectronics》：Self-Assembly of Non-Close-Packed Photonic Crystal Hydrogels Enables Robust Point-of-Care Detection of microRNA in Body Fluids
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微 RNA-21（miRNA-21）作为关键致癌调控因子，其高灵敏度、便携式检测平台开发具有重要临床价值。本研究通过构建自组装非紧密堆积光子晶体水凝胶（PCH），将DNA探针与miRNA-21的Watson-Crick碱基配对结合，触发水凝胶体积膨胀与光子带隙红移效应，实现纳米摩尔级检测（0.32 nM），且在唾液、血清等复杂生物样本中表现稳定。非紧密堆积结构提供大孔域和机械解耦特性，促进分子渗透并放大光学信号。该平台无需专业设备，可通过智能手机实现颜色变化与量化分析，为 decentralized癌症筛查提供新范式。
杨梦飞|姜珍|刘建恩|夏成辉|董博华|曹立新|秦俊杰
中国海洋大学材料科学与工程学院，青岛266404
摘要
微小RNA（microRNA），尤其是microRNA-21（miRNA-21），是一种关键的致癌调控因子，这促使人们开发出超灵敏且操作简便的检测策略。然而，现有的方法仍然依赖于台式仪器，在即时检测（point-of-care）场景中的应用效果有限。在这里，我们报道了一种基于光子晶体水凝胶（PCH）的生物传感器，该传感器通过将自组装的非密堆积胶体晶格与DNA功能化的水凝胶基质结合，将miRNA-21的识别转化为放大的光信号。通过沃森-克里克碱基配对作用产生的局部电荷重新分布和体积变化会提高内部渗透压，从而驱动水凝胶膨胀，进而增加晶格间距。非密堆积的结构提供了较大的间隙区域，有利于miRNA-21的快速渗透，并放大由此产生的光信号。膨胀引起的晶格扩展会引发明显的衍射变化和结构颜色变化，这些变化可以通过智能手机轻松量化。所设计的传感器具有高序列选择性，检测限为0.32 nM，并且在唾液和血清环境中表现出良好的性能。这些结果为便携式核酸诊断建立了一个机制透明、成本低廉的平台，同时也凸显了水凝胶离子动力学与晶格光子学之间的协同作用。
引言
早期诊断是降低癌症死亡率的最有效手段之一，但大多数诊断技术仍需要集中式的实验室、复杂的设备和受过培训的人员（Paul等人，2024年；Wang等人，2024b年）。这些限制阻碍了大规模筛查和快速决策的实现，特别是在资源匮乏的环境中（Whitaker，2020年）。随着全球医疗保健逐渐向分散式和即时检测（POC）模式转变，迫切需要能够以最小的基础设施、低成本和直观操作方式提供具有临床意义的分子信息的传感平台（Xi等人，2024年；Yang等人，2019年）。
微小RNA（miRNAs），特别是miRNA-21，因其能在血清、唾液和尿液等生物流体中保持稳定性，成为早期癌症检测的有希望的生物标志物，因此适用于无创诊断（DeFrancesco等人，2025年；Foley等人，2017年；Li等人，2016年；Luby和Zheng等人，2017年）。miRNAs调节基因表达，并与多种疾病相关，尤其是在癌症中，它们调控着细胞增殖、凋亡、分化和转移等过程（Strzyz等人，2021年；Zhao等人，2021年）。miRNA-21在多种实体瘤中显著上调，包括乳腺癌、肺癌和胰腺癌，并且它靶向肿瘤抑制因子如PTEN和PDCD4，从而促进肿瘤发生和转移（Baisden等人，2021年；Zhai等人，2025年）。其表达水平与疾病阶段和临床结果密切相关，使其成为癌症检测、预后监测的重要指标（Jiang等人，2021年；Jouravleva和Zamore等人，2025年；Zheng等人，2024年）。因此，开发快速、稳健且易于获取的miRNA-21检测技术已成为分子诊断的重要目标（Lu等人，2018年）。
已经提出了多种miRNA-21检测策略，包括成熟的方法如qPCR（Fuchs等人，2025年）、数字PCR（Zhou等人，2021年）、下一代测序（Rodriguez和Krishnan等人，2023年），以及仅在科学文献中提出但尚未用于临床检测的新方法。这些方法包括酶辅助扩增（例如外切核酸酶循环、CRISPR/Cas）（Wang等人，2025a年；Wang等人，2025b年）、杂交链反应（HCR）（Jia等人，2025年；Lu等人，2024年）、催化发夹组装（CHA）（Lan等人，2025年；Morihiro等人，2023年）、电化学生物传感器（Shen等人，2023年；Shin Low等人，2020年）、荧光共振能量转移探针（Zhang等人，2022年）和基于纳米粒子的光学检测方法（Liu等人，2018年；Tian等人，2018年）。尽管许多方法具有出色的灵敏度和特异性，但它们通常需要复杂的工作流程、昂贵的试剂、精确的温度控制、复杂的信号量化仪器或严格的样品制备协议（Shi等人，2023年；Su等人，2017年；Zhao等人，2024年）。这些限制阻碍了它们在分散式诊所、初级护理机构、偏远社区或野外环境中的应用（Bi等人，2020年）。基于侧向流动的miRNA检测技术虽然能够达到纳摩尔级别的检测限，但目前主要局限于定性分析，难以满足精确定量评估的需求（Wang等人，2024a年；Zhu等人，2025年）。此外，这种检测系统在应用过程中容易产生假阴性或假阳性结果（Li等人，2025a年）。相比之下，能够直接将分子识别转化为可见读数的技术——无需光学激发或外部硬件——为即时检测（POC）提供了无与伦比的优势（Loretan等人，2025年；Zhang等人，2025年；Zhou等人，2025年）。光子晶体水凝胶（PCHs）就是这样一种有前景的平台，它将周期性有序的介电材料与水凝胶基质结合在一起。化学、物理或生物刺激导致的水凝胶体积变化会改变晶格间距，从而产生肉眼可见的颜色变化（Mann等人，2024年；Posnjak等人，2024年；Xing等人，2025年）。这种结构颜色变化可以通过智能手机摄像头进行定量测量（Cai等人，2021年；Lu等人，2023年）。
自从首次报道将光子晶体整合到响应性聚合物基质中以来（Holtz和Asher，1997年），PCHs已被用于检测小分子（Gao等人，2019年；Jia等人，2018年；Shi等人，2024年）、离子（Xiao等人，2017年）、生物大分子（Couturier等人，2015年；Mu等人，2015年；Qin等人，2023年；Resende等人，2020年）、环境毒素（Hou等人，2015年；Qin等人，2019年；Zhao等人，2025年）和微生物（Xu等人，2018年）。它们结合了响应性、信号放大和视觉可解释性，使其特别适用于分子传感（Xu等人，2017年）。然而，将PCHs用于核酸检测，尤其是临床相关的miRNAs，仍然相对有限。这一差距部分是由于目标分子难以穿透水凝胶基质以及在与短核酸序列杂交时产生足够大的体积变化所带来的挑战。在受限的聚合物网络中，核酸杂交通过引入负电荷和将水合链插入基质来改变水凝胶的渗透压，从而调节光子晶格间距并产生强烈的光学响应（Du等人，2021年；Meng等人，2024年）。然而，大多数现有的光子核酸传感器基于芯片或依赖于荧光增强或纳米颗粒，这影响了其简单性和便携性（He等人，2023年；Li等人，2025b年）。为了改进基于PCH的miRNA传感器，对晶格结构进行工程设计至关重要。非密堆积的晶格具有较大的间隙和分离的颗粒间距，有助于更好的目标分子渗透和更强的晶格变化响应（Gam-Derouich等人，2017年；Lee等人，2017年）。
在这项工作中，我们报道了一种自组装的非密堆积光子晶体水凝胶生物传感器，能够高度选择性地、灵敏地、完全可视化地检测miRNA-21。该平台通过诱导聚苯乙烯微球自组装成非密堆积的光子晶格构建，然后将阵列嵌入聚丙烯酰胺基水凝胶中。可控的水解引入羧基团，随后用与miRNA-21互补的氨基末端DNA探针进行功能化。在这种设计中，miRNA-21与固定化的DNA探针之间的杂交通过耦合的静电和体积效应扰动水凝胶网络。miRNA-21的引入引入了额外的负电荷磷酸基团，增加了聚合物基质内的固定电荷密度，并产生了Donnan驱动的渗透压，将水吸入水凝胶。同时，水合miRNA链的物理插入局部扩大了聚合物网络，进一步促进了膨胀。这两种效应相互增强，导致水凝胶显著膨胀，直接转化为光子晶格间距的增加。由于非密堆积的结构提供了较大的间隙区域和机械上分离的颗粒间距，水凝胶可以更自由地膨胀，并将这些分子尺度的扰动转化为放大的光学变化。这些机制的相互作用导致晶格间距显著增加，产生可测量的红移和明显的结构颜色变化。由于水凝胶的间隙增大，其响应速度很快，且光学变化可以通过智能手机分析进行量化，无需特殊设备。该生物传感器对单碱基突变具有高选择性，检测限在纳摩尔范围内，并在模拟血清和唾液的环境中表现出良好的性能。其低制造成本、简单的操作方式以及与普遍使用的移动设备的兼容性，使其特别适用于POC测试、早期癌症筛查和资源受限地区的诊断。
总体而言，这项工作建立了一种基于分子离子动力学的光子水凝胶方法，展示了如何将分子离子动力学与非密堆积晶格工程相结合，从而产生便携式、无需放大的生物传感器。我们的方法目前仍处于概念验证阶段，但这一概念扩展了光子水凝胶的应用范围，并为下一代可视化诊断平台铺平了道路，使更多人能够获取分子信息。
部分内容
PS–PAA–DNA PCH的制备
通过传统的乳液聚合方法合成了高单分散性、带负电的聚苯乙烯（PS）微球（Fu等人，2007年；Reese等人，2000年）（图S3a）。通过光引发聚合反应制备了PS–PAM光子晶体水凝胶（PS–PAM PCHs）（图S3b）。然后通过水解反应将PS–PAM PCHs转化为聚（丙烯酸）基光子晶体水凝胶（PS–PAA PCHs）。随后将DNA探针接枝到PS–PAA PCHs上非密堆积光子晶体水凝胶的形成和结构表征
通过传统的乳液聚合方法合成了高单分散性、带负电的聚苯乙烯（PS）微球，并将其用作光子晶体组装的构建块。动态光散射测量显示平均粒径为115.5纳米，尺寸分布较窄，多分散指数为0.026（图1a和表S2）。Zeta电位分析显示表面电位为-35.9 mV，表明表面电荷密度较高结论
总之，我们报道了一种DNA功能化的光子晶体水凝胶生物传感器（PS–PAA–DNA PCH），它结合了结构-机制-应用的理念，通过放大的光信号实现了miRNA-21的高度选择性和肉眼可读的检测。通过将序列特异性的DNA识别与非密堆积光子晶体水凝胶结构相结合，目标分子的杂交有效地转化为明显的衍射波长变化和独特的结构变化
CRediT作者贡献声明
夏成辉：正式分析。刘建恩：正式分析。董博华：撰写 – 审稿与编辑，正式分析。姜珍：撰写 – 审稿与编辑，撰写 – 原稿，方法学。杨梦飞：撰写 – 审稿与编辑，撰写 – 原稿，方法学，概念化。秦俊杰：撰写 – 审稿与编辑，撰写 – 原稿，监督，项目管理，资金获取，正式分析。曹立新：撰写 – 审稿与编辑，
未引用的参考文献
Li等人，2025年；Wang等人，2025年；Wang等人，2024年。利益冲突声明
? 作者声明他们没有已知的可能会影响本文工作的竞争性财务利益或个人关系。
致谢
本研究得到了国家自然科学基金（资助编号：22404153）；山东省泰山学者计划专项基金（资助编号：tsqn202408081）；山东省优秀青年科学基金项目（资助编号：2025HWYQ-032）；青岛市自然科学基金（编号：24-4-4-zrjj-9-jch）；中国博士后科学基金（资助编号：2024M753044）以及CPSF博士后奖学金计划（资助编号：GZB20240693）的支持。
