《Biosensors》：Recent Research on Biosensors for Biomarker Detection Related to Neurological Disorders Utilizing Surface Engineering Strategies
表面工程策略已被广泛应用于各个技术领域，尤其是在生物传感领域，用以改善界面性质并促进分子识别。近年来，在生物传感器的各类靶标中，神经系统疾病已成为全球重大健康挑战，这增加了对神经生物标志物精准早期检测的需求。尽管用于神经生物标志物检测的生物传感器已取得显著进展，但传统生物传感器在精准检测神经生物标志物时往往存在灵敏度和选择性不足的问题。在此方面，表面工程策略在解决上述生物传感器问题方面具有巨大潜力和应用价值。因此，全面理解表面工程策略及其对神经生物传感的影响，对于神经系统疾病的诊断至关重要。本综述总结了将表面工程策略应用于神经生物标志物检测的生物传感器的最新进展。研究人员首先讨论了适用于生物传感器的表面工程策略及其潜在机理。随后，综述按照生物标志物的环境条件分类，介绍了近期基于表面工程策略的神经生物标志物检测生物传感器。预期本综述将为开发用于神经系统疾病早期诊断的新型生物传感器提供有价值的见解。
**1. 引言**
表面工程策略已被广泛应用于从电池电极、电催化剂到药物递送系统等多个技术领域。目前已开发出多种表面工程策略，从基于金-硫醇相互作用到EDC/NHS偶联反应。尽管这些策略看似较为传统，但在生物传感领域仍具有巨大潜力，可通过增强界面性质和促进分子识别实现应用。在生物传感器开发中，表面工程策略可用于高效引入传感探针、制备功能性电极以及构建能够整合活体生物材料（如细胞和类器官）的聚合物支架，从而检测仿生系统中的生物标志物。表面工程策略的优势已应用于纳米结构界面工程、分子识别工程、导电生物界面工程以及抗生物污染和钝化工程等领域，以克服传统生物传感器灵敏度或选择性不足的局限，从而提升靶标检测能力。
近年来，神经系统疾病（如阿尔茨海默病和帕金森病）日益受到全球关注。由于这些疾病的全球发病率显著上升，它们已成为生物医学领域的重大问题。然而，为实现神经系统疾病的有效治疗，准确检测与之相关的生物标志物至关重要。因此，利用生物传感器准确检测神经递质和miRNA等神经生物标志物用于神经系统疾病的精准诊断正引起广泛兴趣。尽管神经生物传感器（即可检测神经生物标志物的生物传感器）的研究已广泛开展，但传统神经生物传感器在灵敏度和可重复性方面存在局限，无法满足神经系统疾病早期诊断所需的传感能力。为实现可靠的神经生物标志物传感，生物传感器需要具备高灵敏度和高选择性，同时在复杂生物环境中保持稳定性和功能性。表面工程策略可为开发精准神经生物传感器提供新方向。基于此，近年来已报道了多种基于表面工程策略的高灵敏度神经生物标志物检测生物传感器。
基于以上视角，全面理解表面工程策略及其在神经生物传感器开发中的应用，对于指导未来用于神经系统疾病临床诊断的生物传感器开发至关重要。本综述总结了基于表面工程策略的神经生物标志物检测生物传感器的最新研究进展（图1）。首先讨论了适用于生物传感器开发的最广泛使用的表面工程策略及其内在机制，包括纳米结构界面工程、分子识别工程、导电生物界面工程以及抗生物污染和钝化工程。随后，综述聚焦于采用这些策略的近期神经生物传感器，并按照生物靶标水平（从可溶性神经生物标志物到细胞水平系统，再到基于球状体和类器官的超细胞平台）进行组织分类。
**2. 生物传感器的表面工程策略**
生物传感器的性能可通过传感探针的稳定固定、高效电子转移和抑制非特异性吸附而显著提高。这些界面性质被认为是决定生物传感器灵敏度和选择性的关键因素。为此，多种表面工程策略已被用于优化生物分子与电极界面之间的相互作用。本章介绍了生物传感器中具有代表性的表面工程策略并讨论了其功能作用。
**2.1 纳米结构界面工程**
MXene作为一种二维多功能纳米材料，因其高电导率、丰富的亲水性表面官能团和大比表面积而受到关注，已成为电极表面工程的代表性材料。特别是其高离子可及性和快速电荷传输促进了电极-电解质界面的高效电子转移，从而实现了高灵敏度电化学生物传感。在一项研究中，将金纳米颗粒（AuNP）-MXene纳米复合物整合到丝网印刷电极（SPE）中，所形成的界面表现出快速的电荷转移动力学和高电导率，实现了多巴胺的灵敏检测。此外，由金属节点通过有机连接体互联构成的金属有机框架（MOF），因其高比表面积和可调的孔结构而成为电极表面工程材料的候选者。例如，研究人员开发了一种基于MOF的神经元模型，其多孔结构促进了多巴胺向沟道表面的扩散。多巴胺氧化增强了法拉第电流，进而转化为晶体管的门控信号。根据多巴胺浓度，MOF表面本身充当化学开关输入，相应地调节沟道阈值。为进一步整合微控制器单元（MCU）以模拟整合-发放模型，将多巴胺介导的门控程度直接编码为脉冲数和脉冲宽度。另一种代表性MOF——沸石咪唑酯骨架-8（ZIF-8）也被用于基于其孔道尺寸与客体分子大小匹配性的功能分子封装。例如，分子直径（9.8 ?）介于ZIF-8空腔（11.6 ?）和孔道尺寸（3.4 ?）之间的离子载体可通过Zn-N配位进一步稳定而被物理限域。研究人员利用该策略实现了脑中离子生物传感的长期稳定性。此外，氨基修饰的ZIF-8通过原位还原锁定策略实现了AuNPs的封装，防止了过度聚集和颗粒增长。Au@ZIF-8相较于纯ZIF-8展现出更大的表面积，为多巴胺吸附和电催化活化提供了更多可及活性位点，并在胎牛血清中验证了其多巴胺检测适用性。具有类似MOF多孔结构的共价有机框架（COFs）也被探索用于表面工程。例如，以2,4,6-三羟基苯-1,3,5-三甲醛（Tp）和对苯二胺（Pa）为单体合成的TpPa COF被生长在碳纤维微电极上。其纳米孔尺寸与多巴胺氧化中间体大小高度匹配，能够将中间体空间限域，从而抑制多巴胺在电极表面的聚合，实现了帕金森病（PD）模型小鼠脑中多巴胺的稳定实时监测。除MOF和COF外，碳基纳米材料也被广泛进行纳米级工程化以增强传感界面的表面积和电导率。通过将水热还原的氧化石墨烯片堆积成纳米多孔网络制备了纳米多孔石墨烯薄膜，获得了高表面体积比。该结构使界面电容提高了超过10
4倍。此外，该电极在超声波水浴（200W和300W，各15分钟）处理后仍保持优异的机械稳定性。植入小鼠前额叶皮质超过90天后，可记录到可靠的声音诱发电位（AEP）信号。碳纳米管（CNTs）因其高载流子迁移率、固有电导率和纳米级结构也被广泛应用于电极表面工程。研究人员开发了一种基于AuNP修饰CNT薄膜的表面增强拉曼散射（SERS）传感器。氧等离子体处理通过引入含氧官能团松散CNT束，为后续AuNP沉积提供了充足的间隙空间。二甲亚砜（DMSO）通过范德华相互作用进一步促进束分离，而其强S-Au相互作用为Au团簇提供了额外成核位点并抑制其聚集。均匀AuNP修饰显著降低了SERS强度的变异，提高了信号的可重复性。
**2.2 分子识别工程**
基于抗体的表面工程是生物传感器分子识别中最广泛应用的方法之一，通过抗体-抗原相互作用的高亲和力和特异性实现靶标分子的选择性捕获。因此，精确控制抗体在传感表面的取向和固定对于提高传感性能至关重要。传统的物理吸附等固定方法会导致抗体随机取向，而共价结合虽能提高稳定性但对环境条件敏感，这两种方法最终都会降低抗体-抗原结合的概率。为应对该问题，研究人员开发了一种在施加电场下使极性抗体取向的生物传感器。由于免疫球蛋白G（IgG）的抗原结合片段（Fab）和可结晶段（Fc）带有相反电荷，因此可通过电场控制抗体的取向。在IgG固定密度相似的情况下，取向比从约1.30提高到1.59，使得即使在标准血浆中也能灵敏地检测淀粉样蛋白-β（Aβ）1-42。除取向之外，传感表面的距离是另一个关键参数。德拜长度（λ
D）描述了带电分子的静电效应在被周围离子屏蔽之前所持续的距离。在生理溶液（如血液）中，λ
D减小至约1nm；然而，大多数探针分子（如整个IgG抗体约15 nm）将其抗原结合事件定位在λ
D之外。为解决该问题，研究人员开发了一种利用F(ab')
2片段作为探针分子的石墨烯场效应晶体管（GFET）生物传感平台。这些片段缺乏Fc区，其尺寸减小使得有效层厚度从IgG的1.36nm降至F(ab')
2的0.59nm，将结合事件更接近石墨烯表面，同时提高了单位面积受体密度。该平台还通过测量创伤性颅脑损伤（TBI）患者血浆中的神经丝轻链（NfL）进行了验证。在可用于分子识别工程的多种生物分子中，链霉亲和素-生物素相互作用是基于其超高结合亲和力（K
d ≈ 10
?14 M）和近不可逆相互作用，为生物素化生物分子的稳定固定提供强大界面的最广泛使用的生物分子之一。例如，两种光谱不同的量子点分别与链霉亲和素偶联，并与不同的生物素化二抗预组装，生成了两个独立的荧光探针用于多重检测。链霉亲和素-生物素的强相互作用在测定过程中保持各探针完整性，防止探针间的解离或抗体交换。由于链霉亲和素是四聚体蛋白，具有四个生物素结合位点，每个链霉亲和素偶联的量子点可结合多个生物素化抗体，从而有助于信号放大。该方法达到的检测限比没有链霉亲和素-生物素系统的传统免疫测定法低6倍。此外，适配体是表面工程策略中另一种有吸引力的生物分子，它是一种基于核酸的识别分子，在特异性结合靶标时会发生构象变化，从而实现高效信号转导。其高热稳定性和易于合成的特点使其成为分子识别工程中抗体的替代品。例如，通过用靶标特异性适配体修饰纳米孔开发了一种纳米探针传感器。带负电的适配体产生不对称离子电流。当靶标结合时，构象改变导致适配体层电荷密度和离子渗透性发生变化，从而使这种电流发生偏移。该传感器可选择性地区分多巴胺与其结构相似的分子（如去甲肾上腺素和二羟苯丙氨酸）。由于适配体在极端pH和温度条件下不稳定，分子印迹聚合物（MIP）作为一种通过聚合物单体围绕靶标分子聚合形成互补结合空腔的合成受体而受到关注。近期，基于MIP的双电化学传感器被开发用于神经生长因子（NGF）和proNGF的检测，其原理是当靶标重新结合到空腔时电流信号降低。MIP电极的印迹因子（proNGF为30，NGF为26）通过MIP与非分子印迹聚合物（NIP）电极的电流比计算得到，证明其具备特异性识别能力。
**2.3 导电生物界面工程**
聚(3,4-乙烯二氧噻吩)聚苯乙烯磺酸盐（PEDOT:PSS）是一种代表性的导电聚合物，因其机械柔韧性和生物相容性而广泛应用于生物传感器表面工程。为解决刚性硅基探针与柔软脑组织之间机械失配所导致的慢性炎症反应，研究人员开发了一种无需热处理工艺的全有机PEDOT:PSS纤维微电极。磷酸处理选择性地去除PSS结合剂网络，并产生多孔纤维结构。随后引入乙二醇可增强纤维的机械顺应性，产生低杨氏模量和断裂应变高的纤维。这种结构工程化纤维可实现小鼠海马单神经元动作电位的稳定、隔离记录，组织学分析进一步证实了其长期应用的潜力。除PEDOT:PSS外，导电水凝胶通过结合导电材料的电学性能和水凝胶对软生物组织的机械兼容性，已成为下一代生物电子界面。导电水凝胶同时支持电子和离子传导的能力使得生物界面的信号传输特性与生物组织相似。例如，由于传统PEDOT:PSS的疏水性限制了其在亲水水凝胶中的整合，通过将磺酸基侧基引入单体开发了亲水性自掺杂导电聚合物（S-PEDOT），使其在水凝胶基质中均匀分散且不会形成聚集的PEDOT硬域。所得的均匀网络表现出高韧性和柔软性，突破了传统的韧-软权衡问题。此外，S-PEDOT的亲水性使其能够可逆地干燥和再溶胀，提高了重复使用性和操作便利性。通过将无毒增塑掺杂剂共混到PEDOT:PSS中，软且可伸缩的导电水凝胶改善了可植入生物组织与组织界面的机械兼容性。这种掺杂剂诱导相分离，形成相互连接的高度导电的PEDOT富集纳米原纤维和软质PSS富集基质。水化后，基质膨胀形成稳定的水凝胶。该组织-电极界面与组织表面共形适应，减少了机械差异，从而改善了电耦合，并减少了长期植入期间的慢性炎症反应。PEDOT还可掺入特定载体用于药物递送，但这种策略受限于带负电荷药物的要求和有效负载容量不足的问题。为解决该问题，研究人员使用介孔磺化二氧化硅纳米颗粒掺杂PEDOT，用于封装谷氨酸和γ-氨基丁酸（GABA）等神经递质，并可通过电触发反复释放。这些药物负载的SNPs被电聚合到PEDOT薄膜中。由于SNPs不导电，它们可将负载药物与强电位隔离，提高其在负载和刺激过程中的稳定性。通过电化学还原PEDOT薄膜引发释放；该平台植入到大鼠桶状皮层。除PEDOT外，聚吡咯（PPy）作为另一种代表性导电聚合物因其在生理pH范围内的稳定性及生物相容性而受到关注。然而，由于PPy直接沉积在疏水性底物上较困难，研究人员采用磺化聚苯胺和预涂层策略，在底物上引入亲水性，从而使PPy沉积更均匀。磺酸基团赋予底物负电荷表面，通过静电吸引带正电的吡咯单体，导致其均匀吸附。这种表面均匀性实现了空间上均匀的内建电场，能够在电刺激下调节细胞膜电位并促进PC12细胞轴突伸长。
**2.4 抗生物污染与钝化工程**
生物传感系统的长期稳定性常常因复杂生物基质（如血液）中干扰分子的非特异性吸附而受到限制。例如，研究人员开发了一种用于检测血清素的适配体生物传感器，其中巯基化DNA适配体自组装单层（SAM）被固定在Au电极上。为最小化非靶标信号和提高选择性，使用6-巯基-1-己醇（MCH）作为未覆盖金表面的惰性填充分子。这种回填策略有效钝化了裸露的Au表面，抑制了干扰物的非特异性吸附，并减少了电化学测量期间的噪声信号。除涉及识别层的回填策略之外，纳米结构电极的固有表面电荷无需识别元件即可提供了选择性抗生物污染能力。例如，羧基官能化的介孔碳通过纳米孔内的双电层重叠实现了电荷选择性离子传输，这种静电门控促进了相反电荷物种的进入并排斥了同电荷离子，从而增强了带正电的多巴胺传输并抑制了带负电的抗坏血酸的渗透。聚乙二醇（PEG）等亲水性聚合物涂层可形成水化界面，减少与周围蛋白质的疏水相互作用，从而降低非特异性蛋白吸附。研究人员开发了一种多重适配体功能化微电极阵列用于神经递质的同时检测。通过巯基-PEG填充适配体固定后未占用的电极表面区域。这种亲水性硫醇-PEG SAM可以抑制非特异性蛋白吸附，实现在复杂样品中的特异性检测。在血清中测得的检出限与在缓冲液中测得的一致，证明了抗生物策略在复杂生物基质中的适用性。然而，传统PEG涂层形成刷状二维屏障，阻碍靶标分子到达传感探针，这促进了三维（3D）水凝胶结构的发展。研究人员利用硫醇-迈克尔加成反应交联四臂PEG-硫醇和四臂PEG-马来酰亚胺，制备了四臂PEG水凝胶涂层。在该均匀水凝胶网络中，PEG主链中的醚基与水通过氢键结合，形成水合的PEG-水层，抑制蛋白质的非特异性吸附并保留到电极的离子通道，从而最小化污染并维持信号保真度。此外，多孔PEG网络可实现尺寸选择性传输，因为糖蛋白（200-500 kDa）的大小大于凝胶的孔径，同时保留了小分子运输。在相同污染条件下，该水凝胶涂层电极保留了明确的氧化还原信号，而裸电极则表现出显著的信号下降，证明了该网络的抗生物污染能力。除PEG基水凝胶外，两性离子水凝胶已成为有前景的抗生物污染界面，因为其能够建立比传统PEG涂层更稳健和持久的水合层，可在更广泛的温度范围和更长的持续时间内维持抗生物污染活性。在一项研究中，将聚（磺基甜菜碱）甲基丙烯酸酯水凝胶涂层应用于植入大鼠脑干的深度探针。在两性离子水凝胶涂层探针的长期植入中可保持稳定的阻抗达8周，并在植入后4-5周内实现单神经元峰电位记录，而裸探针在最初2周内记录质量显著下降。
**3. 用于细胞外可溶性神经生物标志物检测的表面工程生物传感器**
神经生物标志物作为反映神经系统状态的分子指标，为多种神经系统疾病的检测和预后评估提供重要信息。神经退行性疾病涉及症状出现前的渐进分子改变。因此，早于常规影像学方法（如计算机断层扫描、磁共振成像和磁共振血管造影）早期准确检测相关标志物是关键。然而，这些潜在生物标志物在生物样品中浓度极低且受各种干扰物质影响，需要利用表面工程策略开发高灵敏度和选择性的神经生物传感器。本章介绍代表性神经生物标志物（Aβ、多巴胺和miRNA）及其表面工程生物传感器，重点聚焦于提高传感性能的策略。
Aβ通过淀粉样前体蛋白的蛋白水解切割产生，是阿尔茨海默病（AD）的代表性生物标志物，易于聚集形成低聚物和淀粉样斑块。Aβ的积累被认为是AD的核心病理特征之一。临床上Aβ作为评估AD患者淀粉样蛋白病理的重要生物标志物。因此，已开发出多种表面工程生物传感器用于Aβ的早期准确检测。研究人员报道了一种双棱镜辅助溶液浸没硅（DP-SIS）光学神经生物传感器。光学生物传感器通过直接测量生物分子结合引起的传感器表面折射率和光学厚度的变化，提供无标记实时检测的优势。在此平台上，通过APTES处理将氨基引入硅表面，并通过链霉亲和素-生物素相互作用固定Aβ
1-42特异性抗体。进一步引入含PBS和BSA的缓冲液以封闭残留活性位点，抑制真实生物样品中非特异性吸附并提高信噪比。Aβ与抗体结合后，传感器表面厚度和光学性质发生改变，反射光偏振特性的变化实时监测用于Aβ检测。通过在Aβ-耗尽的血清中加标Aβ
1-42（0.1pg/mL至10ng/mL）评估了血清成分包括白蛋白和免疫球蛋白引起的非特异性信号，即使在扣除血清中干扰物质的背景信号后仍可在低浓度0.1 pg/mL下检测到信号。最终该传感器在规范缓冲液中达到0.04 fg/mL的LOD，在人血清中则为12.0 fg/mL。研究人员还开发了基于石墨烯电解质门控场效应晶体管（G-EGT）的神经生物传感器，用于检测从血液中分离的神经元来源外泌体中的Aβ。通过将AuNPs沉积在还原氧化石墨烯表面上以增加表面积，固定更多抗Aβ抗体，进一步引入BSA和Tween-20作为双封闭策略以抑制抗Aβ抗体的非特异性结合，该传感器LOD达447 ag/mL。另一策略将Cys-Aβ固定在AuNPs上，通过监测Aβ聚集触发的AuNPs表面等离子共振（SPR）耦合的消光光谱变化来检测靶标Aβ。然而，表征Aβ的多种聚集状态（从单体到低聚物和原纤维）对于理解疾病病理特征至关重要，因此，需要开发能够在单分子水平表征淀粉样蛋白聚集体形成及其性质的生物传感器，推动了基于生物纳米孔的传感器平台开发，该类平台可实时监测β-淀粉样肽的聚集动力学，为蛋白质聚集体的单分子表征提供新方法。tau蛋白是与AD病理改变密切相关的另一主要标志物，其血浆浓度与AD病理过程密切相关。因常规检测方法（如ELISA和质谱法）灵敏度有限，需信号放大策略提高检测灵敏度。近期开发了一种可穿戴电化学传感贴片，用于检测组织液中的tau蛋白。通过在VG电极上沉积金层形成纳米金修饰的垂直石墨烯结构，增强电子转移和抗体固定效率。特别是通过多巴胺自聚合在晶体管表面形成聚多巴胺层，利用其氨基与抗体Fc区的相互作用实现抗体取向固定，增加抗原结合Fab区的暴露，提高tau结合效率。另一研究组开发了用于检测磷酸化tau蛋白181（p-tau181）的电化学神经生物传感器，整合了基于酚酞红-PPy（PPhR-PPy）的纳米MIP（nMIP）和高多孔金（hPG）电极。hPG先沉积在PCB基电极上，随后以p-tau181为模板电聚合PPhR-PPy层，草酸去除模板后形成选择性识别空腔。该聚合物层同时作为识别受体和电化学信号传导层。hPG提高了电极表面积，PPhR的氧化还原活性实现了无标记信号产生，PPy的掺入进一步改善了电子转移和机械稳定性。该传感器在未稀释人血清中LOD达到498 fg/mL，线性范围1–16 pg/mL，对p-tau181的选择性高于tau441。在AD患者血浆中AUC为0.84。α-突触核蛋白是PD的代表性蛋白生物标志物，其早期积累早于不可逆神经损伤。基于适配体的有机电解质门控FET生物传感器通过非侵入性唾液分析选择性检测α-syn单体。近期集中于α-syn低聚物生物传感器研发，例如AuNP/激光诱导石墨烯（AuNP/LIG）电化学免疫传感器用于血液样品中α-syn检测。通过电化学沉积AuNPs构建立界面并固定特异性抗体，用BSA抑制非特异性吸附，利用电化学阻抗谱监测抗原-抗体结合引起的电荷转移电阻变化，该传感器LOD达0.237 pg/mL，可区分PD患者（8.38% Rct变化）与健康对照（1.488% Rct变化）。同时，基于纳米等离子元表面的传感器可通过抗体捕获和红外信号分析区分α-syn不同聚集状态（低聚物/原纤维）。α-syn异常聚集导致黑质多巴胺能神经元丢失和产生减少，多巴胺定量可作为神经系统障碍识别的工具。例如，基于Fe掺杂多级孔海藻碳的电极增大多巴胺吸附和电化学信号。为提高选择性，研究人员利用多巴胺特异性适配体修饰纳米等离子电极实现了在未处理全血中检测多巴胺；另一研究开发了基于Zr/Ni-FcDA MOF（含1,1’-二茂铁二甲酸作为有机配体）的比率型电化学生物传感器，以Fc氧化信号为内参，通过多巴胺/Fc信号比率降低电极条件变化引起的波动，实现对多巴胺的定量检测。在PBS中线性0.1–70 μM，LOD为0.07 μM，并在人血清中实现98.90%–100.5%的回收率。微RNA（miRNA）是调节基因表达的短非编码RNA，与AD和PD中Aβ、tau代谢及α-syn和多巴胺能神经元功能相关，因此通过SPRi传感和CRISPR/Cas扩增策略可检测特定miRNA。另一方面，利用功能聚合物和COF改善电极性能，例如开发了用于检测与轻度创伤性脑损伤（mTBI）相关的唾液中miRNA的电化学神经生物传感器。该传感器通过COF固定高密度抗miRNA探针，Nafion改善离子传输，导电聚合物PEDOT提高MB信号，LOD为0.4–1nM，在唾液样品中检测mTBI患者灵敏度100%、特异性100%，与PCR结果一致。除蛋白质和miRNA外，NfL和胶质纤维酸性蛋白（GFAP）作为评估神经系统的轴突损伤和星形胶质细胞活化的生物标志物也受到关注。然而，表面工程神经生物传感器的研究仍集中于多巴胺等，对其他临床相关标志物如NfL和GFAP的研究仍相对有限，表明存在研究空白。
**4. 细胞水平的表面工程神经生物标志物检测生物传感器**
尽管表面工程神经生物传感器已被开发用于敏感和选择性地检测多巴胺、Aβ等可溶性神经生物标志物，但仅凭这些方法不足以全面捕获细胞水平发生的动态生理变化。因此，实时监测活细胞对于准确、快速检测神经系统疾病及其潜在病理生理学理解至关重要。近年来的研究日益集中于将先进表面工程策略整合到生物传感平台中，以期改善与活细胞的生物界面稳定性，并实现细胞水平神经生物标志物的实时监测。
纳米结构界面工程策略可为电极-细胞界面提供高效电荷转移和电化学信号转导增强。例如，通过在电极表面制备氧化石墨烯包裹分级金纳米柱杂化结构，为电极-细胞界面提供大的电化学活性面积和高效电荷转。金纳米柱促进了电催化活性和信号放大，GO层通过π-π相互作用增强多巴胺吸附并抑制电极污染，实现了人类诱导多能干细胞（iPSC）衍生多巴胺能神经元释放多巴胺的实时无破坏检测。另一研究中，将ZIF-8包覆的氧化锌纳米线原位生长在rGO上，用于直接监测活PC12释放的胞吐事件。ZIF-8壳层作为固碱纳米催化剂选择性吸附并催化氧化多巴胺，rGO促进快速电子传输，垂直排列的ZnO纳米线增大了有效传感面积，以实现多方向胞吐事件捕获。这种协同结构使得该微传感器LOD低于1 pM，高选择性识别多巴胺。此外，POM-γ-环糊精MOF界面通过Nafion粘附在石墨烯电极上，可用于电催化氧化多巴胺，实现K
+刺激下SH-SY5Y细胞释放的多巴胺实时、定量跟踪。基于Pt纳米线/MXene/多孔碳三元复合材料的传感器可增强界面的电导性和催化活性，实现活细胞多巴胺释放的原位监测。NiCo
2O
4/多壁碳纳米管柔性传感器，可用于KCl诱导的SH-SY5Y细胞释放的多巴胺检测。分子识别工程最近朝向建立与活细胞的稳定生物界面方向发展，实现长期选择性实时监测。例如，在半导体碳纳米管薄膜FET中，将富含CG的pH响应序列并入适配体探针，利用钯电极的电位调节局部pH。酸性条件导致适配体形成三链构象，降低其亲和力并释放靶标，而恢复中性条件则恢复结合能力，该平台LOD可达10 M，可在超过八个数量级的范围内检测多巴胺、血清素、组胺和谷氨酸，可重复使用十次。针对单细胞水平的神经递质动力学检测，开发了将适配体识别整合到纳米孔平台的双纳米孔生物传感器，可实现单PC12细胞内内源性和细胞外多巴胺的同时检测。在细胞外排测量中，将单细胞限制于微孔芯片中，在低氧条件下记录到由低氧诱导多巴胺分泌引起的明显电流响应。在长期活细胞界面方面，抗生物污染和钝化策略尤为关键。生物润滑剂LUB可作为SAM抑制生物介质的非特异性吸附，其中心粘蛋白结构域形成水合层和纳米孔结构，允许小分子靶标（如NGF）通过扩散，同时排除BSA等大干扰蛋白。LUB修饰的免疫传感器在BSA条件下的LOD为0.048 nM，比未修饰传感器（0.95 nM）大大提高。该平台可在GelMA水凝胶模型中实现NGF浓度监测，并与ELISA无显著差异。仿生定向功能使用脑细胞膜修饰碳纤维微电极，在一项研究中，通过壳聚糖电沉积和脑细胞膜包覆，构建多层仿生传感器，可在LPS诱导的PD模型PC12细胞中，监测到其在K
+刺激后电流升高以及LPS暴露后电流下降。导电聚合物生物界面工程提供了高电导率、长期界面稳定性及生物相容性。在一项例中，将负电PEDOT:PSS水凝胶与带正电导电聚合物单体交联，获得机械特性接近天然组织的导电支架，其中PEDOT:PSS/PIn中最高导电率达到3265 S/m。将该导电水凝胶与在GCE上形成的AuNPs结合，LOD达0.01 μM；在ITO电极上的3D结构生物传感器中，可实现活PC12细胞K
+刺激后的浓度依赖性多巴胺分泌监测，且可通过钙通道阻滞剂（硝苯地平）抑制该响应。GO整合的PPy/Au纳米团簇混合纳米图案阵列可在ITO上形成3D纳米柱结构，增强多巴胺传感灵敏度（2.35倍）和LOD（33.4 nM）。将SH-SY5Y细胞分化为成熟多巴胺能神经元过程中该传感器可追踪多巴胺信号–分化过程的同步变化；其信号仅特异性来自多巴胺能神经元，表明其可用于非破坏性、非侵入性识别功能多巴胺分泌细胞。
**5. 超越细胞水平的神经生物标志物表面工程生物传感器：面向生物医学应用**
超越细胞水平，球状体和类器官作为生理相关体外模型，比传统的2D细胞培养能更准确地复制人体器官的结构组织、细胞异质性和功能性连接。这些3D系统产生神经递质、细胞外囊泡、蛋白质、代谢物和自发神经电活动等复杂生物标志物，为研究神经发育和神经系统疾病提供平台。然而，3D组织的结构复杂性和精细架构为生物传感器提供了独特挑战，限制了连续和非破坏性的生物标志物分析。表面工程成为弥合这一差距的关键途径。
研究人员开发了一种基于肽印迹聚(羟甲基-3,5-乙烯二氧噻吩)（PEDOT-OH）纳米管的电化学生物传感器用于监测α-syn——PD的关键病理生物标志物。通过电聚合EDOT-OH并在存在α-syn源肽模板的情况下形成印迹识别腔，实现特异性和敏感检测（肽浓度范围0.065 pM–65 nM，全蛋白LOD和LOQ分别为6.5和21.7 fM）。将该平台应用于患者来源的中脑类器官培养上清中的α-syn分泌检测，成功区分来自PD类器官的α-syn水平（325.0 ± 8.5 fM）和健康对照组（172.9 ± 8.0 fM），表明分子工程传感界面可实现与生理相关神经器官疾病相关蛋白分泌的非侵入监测，并在1000倍稀释培养基于实现91.2–96.7%的回收率。此外，3D电生物传感器通过将胶质母细胞瘤（GBM）-中脑组组块与双通道柔性Au纳米点图案化电极集成，并利用含神经营养因子-3（NT3）-功能的AuNP水凝胶增强两个类器官的电通信，实现了比裸水凝胶高出1.78倍的电导率。在植入过程中，柔性电极的Au纳米点增加了接触面积，实现单类器官高灵敏记录。这种双通道设计可同时独立监测GBM和类器官中脑区域，Everolimus药物处理后GBM类器官的活动信号降低了约2.46倍，显示了药物筛选平台潜力。针对神经递质监测，利用3-MPA SAM修饰的氧化还原循环生物传感器检测人脑类器官（hMOs）释放的多巴胺，负电端基减少白蛋白吸附和AA干扰，LOD提高。在PD相关LRRK2突变的hMOs中检测到多巴胺信号下降，从而验证了疾病关联；经LRRK2抑制剂处理，多巴胺信号恢复约87%。另有研究开发了基于介孔Au纳米点图案化3D凹电极与3-MPA SAM的用于检测hMOs释放多巴胺，并应用于PD突变（PRKN或LRRK2）类器官药物诱导的多巴胺信号检测，在L-DOPA处理后信号显著增强。此外，在AD相关研究中，开发了表面工程化的免疫SERS生物传感器，利用固定的AuNP修饰的半抗体和抗体偶联的AuNP纳米标签，实现对分泌的tau蛋白不同形式的检测（总tau、聚集tau和磷酸化tau）。通过距离杨/荧光污染，该平台可在免标记的情况下以4天间隔连续性监测hCO培养液中的tau蛋白动态，评估APOE-τ轴相关的组织发育和AD病理进程，LOD达7.4 fM。
**6. 结论与未来展望**
表面工程策略为开发更高风险的神经生物传感器提供了重要方向，并通过改善界面性质、促进分子识别、抑制非特异性吸附等能力实现了从细胞到3D类器官水平的生物标志物检测。本综述系统总结了利用表面工程策略检测神经生物标志物（包括多巴胺、Aβ）的多种神经生物传感器。综合现有研究，纳米结构界面工程与分子识别工程结合适合用于低丰度单神经生物标志物的高灵敏检测；导电生物界面工程适合超越细胞水平的生物传感（如类器官）；抗生物污染和钝化工程则是生物传感器功能电极制备的一般性需求。然而，目前许多研究仍处于分析验证阶段，尚未达到临床应用标准。未来研究需实现转化，将体外分析验证推进至患者血液的直接检测，并需提高检测精度，如Aβ的AUC-ROC超过0.95，检测时间控制在一小时。此外，纳米材料的均匀可量产性和可重复性也需解决，同时需要开发多靶标传感以应对复杂脑病理的多样性和单标志物确证准确度不足的挑战。引入人工智能技术有望在多重信号分离和综合解读方面实现突破。总的来说，本综述为精准诊断神经系统疾病的表面工程神经生物传感器的开发提供了跨学科的知识和关键见解。
