基于钕金属有机框架的无标记3D打印免疫传感器，用于前列腺癌生物标志物的即时检测

《Biosensors and Bioelectronics》：Label-free 3D-printed immunosensor based on neodymium metallic-organic framework for point-of-care monitoring of prostate cancer biomarker

　　

摘要

鉴于前列腺癌晚期诊断所带来的挑战，快速的现场检测对于实现早期干预和提高治疗效果至关重要。在此背景下，3D打印免疫传感器为开发低成本、小型化且可靠的诊断工具提供了有希望的替代方案。为此，研究人员将基于钕的金属有机框架（Nd-MOF）与导电的3D打印电极结合，打造出一种无需标记的伏安法免疫传感器，用于检测前列腺特异性抗原（PSA）。光谱分析表明，PSA抗体通过Nd-MOF结构中的游离羧基与其结合。该传感器因吸附了亚甲蓝的Nd-MOF而具有氧化还原特性，同时其功能基团还可用于固定PSA抗体。通过循环伏安法对3D打印免疫传感器的构建过程以及PSA生物识别性能进行了评估。该传感器在0.50至50.0 ng·mL^?1的线性范围内展现出优异的分析性能，检测下限可达0.15 ng·mL^?1。此外，该传感器还具有出色的重复性（相对标准偏差小于4.80%），并且在多次测量中保持稳定，这证明了其在精准检测PSA方面的可靠性。另外，该传感器在加标血清样本中也能灵敏地检测出PSA。由于其简单的制造工艺，以及将吸附了亚甲蓝的Nd-MOF与3D打印电极相结合，该传感器在资源有限的地区进行现场诊断方面具有巨大潜力。

引言

前列腺癌是男性中最常见的癌症类型，全球每14例癌症病例中就有1例为前列腺癌，占所有男性癌症病例的15%。此外，它还是男性癌症死亡的第二大原因，仅次于肺癌（James等人，2024年）。因此，针对前列腺癌的个性化筛查策略对于实现早期发现并防止疾病进展为转移至关重要（Leitsmann和Trummer，2025年）。鉴于前列腺癌的高发率，及时诊断对于降低死亡率极为重要。例如，英国国家卫生服务机构规定，患者应在紧急转诊后的28天内得到癌症诊断或排除癌症可能（英国国家卫生服务机构，2023年）。尽管这些措施旨在加快诊断速度，但及时获得治疗仍是全球面临的挑战。

在巴西，有研究显示从诊断到手术治疗的平均时间为5.8个月（Veloso等人，2024年）。超过60天的延迟会增加癌症进展的风险，这就凸显出及时采取治疗措施的必要性。为应对这些挑战，新的检测方法应运而生，以实现更快更准确的检测（Garg等人，2023年；Khondakar等人，2023年）。因此，人们越来越关注从现场检测的角度来检测癌症生物标志物，这样可以通过分散式和实时的诊断分析来实现早期诊断，从而改善患者的预后。

因此，3D打印电极成为满足前列腺特异性抗原（PSA）检测的现场检测设备需求的关键组件，它们兼具便携性和灵敏度，适用于分散式诊断方案。这种方法不仅克服了传统方法（如ELISA）的局限性，还能在临床环境中开发出便携且易于使用的系统（Candido等人，2024年）。在各种3D打印技术中，熔融沉积成型技术因其低成本和操作简便而被广泛使用（Miller和Patel，2024年）。该技术是通过移动的加热喷嘴将熔融材料，通常是热塑性塑料丝，逐层沉积下来以形成物体。

已有许多电化学生物传感器是通过FFF 3D打印技术制成的（Akay Sazaklioglu等人，2026年；Koukouviti等人，2026年）。在这些传感器中，生物识别元件被固定在由热塑性聚合物构成的电极上，这类聚合物通常是以聚乳酸（PLA）为基础，并辅以碳黑等导电碳材料增强性能（Kokkinos，2025年）。在这些传感器中，免疫传感器因其基于抗原与抗体之间的特异性相互作用而脱颖而出。这种分子识别作用会形成稳定的免疫复合物，随后通过传感器转化为可测量的信号（Mollarasouli等人，2019年）。

提升免疫传感器性能的一种方法是将金属有机框架引入电化学平台中（Patil等人，2023年）。金属有机框架是一种由金属离子与有机配体协同作用形成的聚合物结构，因此具有很高的表面积（Hu和Wang，2024年）。此外，金属有机框架还拥有多个活性位点，这些位点可能包括催化金属离子、可修饰的有机配体，或是嵌入其孔隙中的分子。这些结构特性有助于提高物质传递效率，进而增强信号响应和检测灵敏度（Liu等人，2020年）。而且，金属有机框架独特的表面功能以及高度连通的孔结构，为抗体的固定提供了理想的条件，而抗体在免疫传感器应用中起着关键作用（Ibrahim和Greish，2023年）。

通过合理选择金属和有机配体，可以构建出具有复杂且功能性拓扑结构的镧系金属有机框架（Zhang等人，2021年）。与d区金属不同，镧系元素由于其受保护的4f轨道结构而具有独特的电子特性。由于镧系离子的离子半径较大，它们更容易形成配位不饱和的中心，从而使金属有机框架结构中存在可供结合的位点（Gustafsson等人，2010年）。此外，镧系离子更倾向于与含氧的硬配体发生相互作用（Patra和Pal，2025年）。在本研究中，研究人员采用简单的超声方法合成了基于钕的金属有机框架（Nd-MOF）（Bakhshi等人，2021年）。此外，Nd-MOF的微孔结构使得亚甲蓝能够在其内部吸附。虽然亚甲蓝作为氧化还原探针被纳入Nd-MOF中，但它是在多孔结构中吸附的，而非与抗体或抗原结合。因此，在抗原识别过程中无需额外的标记，从而实现了无需标记的检测方式（Cancelliere等人，2024年）。

在本研究中，将吸附了亚甲蓝的Nd-MOF分散液滴涂在由商用碳黑-聚乳酸导电丝材制成的3D打印传感器上。这种混合材料既可作为氧化还原探针，也可作为固定前列腺特异性抗原抗体（anti-PSA）的理想载体。因此，这款传感器结合了无需标记的检测技术、小型化设计，以及尚未被充分研究的基于钕的金属有机框架。所开发的免疫传感器在血清样本的PSA检测方面表现出出色的分析性能、可靠性和适用性，这凸显了它在现场检测中的应用潜力。

章节节选

试剂与溶液

所有所用试剂及溶液的相关信息详见S1.1节。

Nd-MOF的合成

Nd-MOF的超声辅助合成过程（见图1A）是按照Bakhshi等人的方法进行的（Bakhshi等人，2021年）。首先，将(Nd(NO₃)₃.6H₂O 0.44克，1.0毫米摩尔）和2-DPA 1.20克，1.0毫米摩尔加入64.0毫升的超纯水中，在40℃下通过超声处理使其混合；接着，形成了最初的Nd-MOF晶体，通过离心将其分离出来；最后，用……清洗最终产物。

Nd-MOF的吸附研究

为了测定Nd-MOF的比表面积（a_s）和孔结构分布，我们在不同的相对压力（p/p₀）下进行了氮气吸附实验（见图S2A）。在较低的相对压力下（p/p₀ < 0.1），Nd-MOF的吸附量迅速上升，而在较高的压力下，吸附量则趋于稳定。根据IUPAC的标准（Thommes等人，2015年），这种吸附等温线属于I(b)型，这类等温线是微孔材料的典型特征，其范围为……

结论

Nd-MOF的独特性质使得我们能够开发出一种灵敏且无需标记的PSA免疫传感器。该材料具有较高的表面积和适宜的配位环境，因此能够有效吸附亚甲蓝并固定抗体，同时还兼具氧化还原探针和PSA生物识别平台的功能。该免疫传感器具有较低的检测下限，良好的精度和准确度，以及不错的储存稳定性，这一切都证明了它在PSA检测方面的可靠性。

CRediT作者贡献说明

Eduardo Constante Martins：方法设计、实验研究、正式分析、数据整理、概念构思。Luan Gabriel Baumgarten：初稿撰写、可视化处理、结果验证、方法设计、实验研究、正式分析、数据整理、概念构思。Edson Roberto Santana：论文润色与编辑、初稿撰写、可视化处理、结果验证、方法设计、正式分析、数据整理、概念构思。Jo?o Paulo Winiarski：论文润色与编辑、可视化处理。

利益冲突声明

? 作者声明不存在任何可能影响本文研究结果的已知财务利益关系或个人关系。

致谢

本研究得到了巴西国家科学技术发展委员会（CNPq，项目编号为310746/2021–3、303213/2021–3、311651/2022-4、409444/2022–7、440815/2022-3以及408381/2023–0）、巴西高等教育人员培训委员会（CAPES）以及圣卡塔琳娜州研究创新支持基金会（FAPESC）的资助。作者们衷心感谢化学与食品工程系的分析中心，以及跨学科……

Luan Gabriel Baumgarten|Eduardo Constante Martins|Diogo Emanoel Félix dos Santos|Jo?o Paulo Winiarski|Edson Roberto Santana|Rosa Fireman Dutra|Almir Spinelli|Iolanda Cruz Vieira

巴西圣卡塔琳娜州弗洛里亚诺波利斯市，圣卡塔琳娜联邦大学化学系生物传感器实验室，邮编88040-900