《Biosensors and Bioelectronics》：An implantable transistor neuroprobe with dual-recognition interface for
in vivo dopamine monitoring
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摘要可植入生物电子界面对于解码神经化学动态至关重要，然而体内深部组织监测常受限于三大障碍：体积庞大的基底造成的植入创伤、传统纳米吸管微传感器的机械脆弱性，以及复杂神经微环境中存在的非特异性干扰。本文提出了一种密度泛函理论（DFT）辅助的双识别设计策略，并将其应用于基于针灸针的
摘要
可植入生物电子界面对于解码神经化学动态至关重要，然而体内深部组织监测常受限于三大障碍：体积庞大的基底造成的植入创伤、传统纳米吸管微传感器的机械脆弱性，以及复杂神经微环境中存在的非特异性干扰。本文提出了一种密度泛函理论（DFT）辅助的双识别设计策略，并将其应用于基于针灸针的扩展栅极场效应晶体管（AN-EGFET）神经探针中，通过定制化的双识别材料架构解决上述瓶颈。该器件基于机械强度高且极细的针灸针构建，集成了由金纳米粒子、聚邻苯二胺分子印迹聚合物（MIP）和4-巯基苯硼酸（4-MPBA）组成的传感界面。印迹空腔提供形状和尺寸互补性，而硼酸基团与多巴胺（DA）的儿茶酚基团结合；两种识别模式协同作用，增强了在相关生物条件下的选择性DA捕获和稳定信号转导，检测限和定量限分别为1.66 nM和5.43 nM。分子动力学（MD）模拟表明，腔体内协同非共价相互作用促进了DA的预富集和保留，从而有利于后续4-MPBA硼酸亲和锚定。除了实时追踪体外DA释放外，我们还评估了AN-EGFET的体内监测能力，包括DA信号的区域区分、药理学调节DA反应的监测，以及健康小鼠和帕金森病模型小鼠之间纹状体DA水平的区分。AN-EGFET提供了一种低损伤且坚固的可植入生物电子界面，用于体内DA实时监测，在基础神经科学研究和帕金森病相关神经化学变化的临床前研究中具有潜在应用价值。
引言
神经递质信号的动态波动，涵盖基线张力水平和刺激诱导的变化，是广泛的神经和行为过程的基础，包括动机、情绪和学习。帕金森病（PD）是一种神经退行性疾病，其多巴胺能信号逐渐被破坏（Antony等人，2013；Sahoo等人，2025）。其主要病理特征是黑质致密部多巴胺能神经元的退化，导致纹状体中多巴胺（DA）显著减少（Fu等人，2024；Lee等人，2019）。因此，对这些神经化学变化的定量分析，无论是基线水平还是诱导动态，都是理解健康和疾病状态下脑功能的关键。传统的离位方法如HPLC和LC-MS具有出色的灵敏度和化学特异性，但无法进行连续的在位测量（Becker等人，2023；Guo等人，2023；Kim等人，2026；Shajahan等人，2026）。然而，现有的体内方法在侵入性、时间分辨率、空间特异性和分子选择性之间仍然存在权衡。脑内微透析能够实现定量采样，但具有侵入性且时间分辨率有限；而放射性示踪成像（如正电子发射断层扫描）损伤极小，但时空分辨率相对较粗（Bauer等人，2004；Dong等人，2022；Guo等人，2024；Hillered等人，2005；Schmitt等人，2012）。尽管亚10 μm碳纤维微电极与快速扫描循环伏安法（FSCV）或安培法的结合，因其高时空分辨率和极小的组织损伤，仍是实时DA检测的基准，但其有限的弯曲刚度和小的功能化面积使可靠的深脑插入和多层识别界面的可重复构建变得复杂，同时在分辨绝对或张力浓度、维持稳定基线和区分共存电活性物种方面仍存在挑战（Li等人，2022；Liu等人，2026；Venton和Cao，2020；Xu等人，2019）。为提高分子选择性，分子印迹聚合物（MIPs）已与微型化电化学界面整合，用于体内神经化学监测。例如，一种DA印迹的过氧化聚吡咯包被的Pt微电极被用于大鼠给予左旋多巴（L-DOPA）后纹状体的DA测量，而纳米MIP功能化的碳纳米管纤维传感器则实现了对皮下组织间液中L-DOPA药代动力学的实时监测（Tsai等人，2012；Zhou等人，2025）。然而，将MIP识别与坚固的深脑DA监测相结合的植入式晶体管界面仍然缺乏充分探索。因此，仍然需要一个整合实时转导、分子选择性和深脑部署适用性的坚固可植入平台。
扩展栅极场效应晶体管（EGFET）是一种有吸引力的界面架构，它提供无标签实时读出和固有信号转导，同时在扩展栅极处将敏感半导体通道与生物流体物理隔离（Iskierko等人，2018）。然而，将EGFET以及更广泛的电化学神经探针转化为植入式器件受到栅极基底材料的制约，该材料必须协调两种相互矛盾的需求。在宏观端，平面、体积庞大的支撑物（如丝网印刷电极）会推移组织并造成局部创伤，使其不适用于深部在位记录。而在亚微米端，纳米级FET和毛细管基探针虽然能为单细胞分析提供优异的空间分辨率，但在体内面临双重局限。在机械性能方面，锥形玻璃或硅微结构脆弱，在深组织插入过程中易断裂（Son等人，2011；Zhang等人，2016）。在转导方面，将界面缩小至亚微米尺度会减少有效传感面积，从而减少可用的表面识别位点数量。在离子密集的神经细胞外基质中，这种小的有效面积加剧了德拜屏蔽效应，降低了信噪比，使得准确追踪低生理相关DA浓度变得困难。
为协调机械坚固性与转导界面效率，我们将医用针灸针（ANs）重新用作可植入栅极基底。针灸针由生物医用级不锈钢制成，兼具深组织穿透所需的机械强度和细长的微型圆柱几何形状（Zhou等人，2022）。这种介于宏观和微观尺度之间的过渡性表面比传统微透析探针更细，减少了相对于那些工具的植入创伤，同时又提供了足够的面积来承载纳米级尖端无法稳定容纳的多层材料网络，从而产生更大规模的转导识别位点集合。这种额外的表面也引入了其自身的质量传输与非特异性生物污损之间的权衡。更大的金属界面更容易受到大分子蛋白质和电活性小分子干扰物（如抗坏血酸和尿酸）的非特异性吸附，这可能导致栅极钝化并产生虚假的化学到电信号。因此，要发挥这种较大界面面积的优势，需要一个能够在复杂生物环境中保持分子选择性和可靠信号转导的识别层。在此背景下，针灸针为可植入生物电子界面提供了实用的结构基础，而传感界面仍需进一步工程化以实现特异性DA识别。
为应对这些界面挑战，我们提出了一种密度泛函理论（DFT）辅助的双识别设计策略，并将其应用于基于针灸针的扩展栅极场效应晶体管（AN-EGFET），用于体内DA动态监测。在该设计中，栅极通过电沉积金纳米粒子（AuNPs）构建，随后自组装4-巯基苯硼酸（4-MPBA），引入对DA儿茶酚基团的硼酸可逆亲和性。在DFT辅助的单体筛选指导下，邻苯二胺（OPD）被选为最佳功能单体，随后电聚合形成基于聚邻苯二胺（POPD）的分子印迹聚合物（MIP）基质。所形成的MIP/4-MPBA界面结合了化学亲和力和空间限域作用，从而增强DA捕获，并通过界面介电重构和功函数调制将DA结合转化为扩展栅极电位移。分子动力学（MD）模拟进一步揭示，定制空腔内协同非共价相互作用有助于DA的预组织和保留，促进后续由4-MPBA进行的硼酸亲和锚定。除了实时监测受刺激PC12细胞的体外DA释放外，AN-EGFET还通过DA信号的区域区分、药理学调节的细胞外DA反应监测以及帕金森病模型小鼠纹状体DA耗竭的区分，展现了实际的体内应用价值。总体而言，AN-EGFET神经探针为体内神经化学监测提供了一种低损伤且坚固的可植入生物电子界面。
章节摘要
试剂与仪器
所有实验中使用的化学品和仪器描述见补充数据。
AN-EGFET器件的制备
AN-EGFET通过将商用n型MOSFET（CD4007UBE）与作为扩展栅极的针灸针和Ag/AgCl参比电极连接构建而成。电化学阻抗谱（EIS）测量在各电极界面于相同的5 mM [Fe(CN)6]3?/4?氧化还原探针溶液中稳定后，在单独确定的开路电位（OCP）下进行。
结果与讨论
如图1A所示，AN-EGFET传感器由商用n型MOSFET和针灸针扩展栅极组成，参比电极置于测量介质中以定义栅极电位。为使扩展栅极具备特异性识别能力，在针表面合理设计了一个分级传感界面。如图1A放大示意图所示，该定制化结构由内层AuNPs和锚定的4-MPBA组成
结论
总之，我们提出了一种DFT辅助的MIP/4-MPBA双识别设计策略，用于构建可植入AN-EGFET神经探针，用于体内外多巴胺监测。通过将分子印迹聚合物空腔的空间互补性与4-MPBA的儿茶酚选择性硼酸亲和性相结合，该生物电子界面提高了目标捕获效率和界面坚固性。此外，MD模拟阐明了这种协同作用的机理起源
CRediT作者贡献声明
Shushu Ding：数据整理。Yongheng Zhang：数据整理。Anwei Zhu：撰写——审阅与编辑，资源，经费获取。Rongjing He：撰写——初稿，验证，方法论，数据整理，概念化。Guoyue Shi：撰写——审阅与编辑，监督，资源，经费获取
利益冲突声明
作者声明不存在已知的竞争性财务利益或个人关系，这些关系可能对本论文报告的工作产生影响。
竞争利益声明
? 作者声明不存在已知的竞争性财务利益或个人关系，这些关系可能对本论文报告的工作产生影响。
致谢
本工作得到国家自然科学基金（22574052，22274051）和中国重庆市自然科学基金（CSTB2024NSCQ-MSX0644）的支持。
Rongjing He|Yongheng Zhang|Shushu Ding|Anwei Zhu|Guoyue Shi
华东师范大学化学与分子工程学院，上海 200241，中国
