人们认为，世界许多地区的人口老龄化和久坐生活方式的趋势会急剧增加患有多种慢性病的人数。此外，气候变化以及土地使用和旅行模式的变化不断增加当地和全球出现和传播传染病的风险。

能够快速诊断所有这些疾病的存在和病程对医疗保健系统提出了越来越大的挑战，只有借助医生办公室之外的有效即时护理(POC)诊断测试和先进的医疗技术才能解决这一挑战。设施。

POC测试在COVID-19大流行期间给人们带来了许多好处，但这种方法需要更广泛地适用，并使医生和患者能够更深入地探究病理状况。目前的POC诊断技术仅测量单一疾病生物标志物，有时也测量属于同一类分子的多个生物标志物，例如不同的RNA、蛋白质或抗体。

然而，测量不同分子类别的多种生物标志物可以更全面地了解疾病的状态、严重程度和随时间的进展，甚至可以解释疾病发展过程中的人与人之间的差异。

电化学生物传感器可将少量生物流体样品(例如血液、唾液或尿液)中存在的生物标志物形式的化学信号转换为强度与检测到的生物标志物量相对应的电信号，可以提供解答许多POC诊断问题。

原则上，针对不同生物标记分子的多个传感器可以组合成多路传感器阵列，而且重要的是，通过设计传感器，可以避免“生物污垢”，即以前样品中包含的非特异性生物分子对电极表面不可避免的破坏。哈佛大学维斯研究所首创了薄型防污涂层。

现在，怀斯研究所的研究团队与韩国的几个合作机构一起，通过开发一种新型纳米复合多孔防污涂层，厚度为一微米(直径为一种细菌——比以前的涂层厚约100倍。

涂层厚度的增加和内部的工程多孔网络允许将更多数量的生物标志物检测探针纳入传感器中，因此，其灵敏度比以前的同类最佳传感器高出17倍，同时还提供卓越的防污能力。

在概念验证研究中，研究人员构建了传感器，能够以高灵敏度和特异性检测临床样本中的COVID-19特异性核酸、抗原和宿主抗体生物标志物靶标。他们的研究结果发表在《自然通讯》上。

最后作者、Wyss创始董事DonaldIngber医学博士、哲学博士表示：“我们新型的厚多孔乳液涂层直接解决了目前阻碍电化学传感器广泛使用作为多种情况下综合POC诊断核心组件的关键障碍。”。

“然而，除此之外，它还可能为在多种疾病领域开发更安全、功能更强大的植入式设备和其他医疗保健监测系统开辟新的机会。克服生物污垢和敏感性问题是影响许多这些努力的挑战。”

Ingber还是哈佛医学院和波士顿儿童医院血管生物学JudahFolkman教授以及哈佛大学JohnA.Paulson工程与应用科学学院仿生工程HansjörgWyss教授。

涂层更厚，检测效果更好

2019年，怀斯研究所的电化学传感器项目发表了第一篇具有里程碑意义的论文，报道了第一个具有前所未有的生物传感能力的防污涂层。

在一系列关键的后续研究中，该团队通过进一步改进涂层的纳米化学，使电极对生物标记物更加敏感，增加重要的多重功能，并开发降低成本的制造方法，从而提高了电化学传感的潜力。

该团队在Wyss的eRapid平台中设计的最先进的生物传感器具有一组功能，已经能够将其转化为某些临床环境。

然而，该团队使用的涂层方法将整个传感器芯片暴露在纳米复合材料溶液中，并且仅允许在整个传感器表面上形成约10纳米的相对较薄的涂层，这在多个方面限制了传感器的功能。

例如，涂层的细直径限制了可装入其中的最大探针数量，这对于仍需要处理小样本量的大型多路复用传感器尤其重要，在努力小型化多路复用传感器以供其使用时更是如此用于便携式POC诊断设备。

“在这项新研究中，我们针对这个问题提出了一种全新的解决方案，从而获得了100倍厚的涂层。我们的新方法利用喷墨打印方法，使我们能够将这种厚涂层非常局部地应用于单个传感器元素，”前Wyss高级科学家PawanJolly博士说道，他在eRapid平台的发展中发挥了重要作用。

“这开辟了新的可能性：首先，我们可以在涂层中包含更多数量的生物标记物检测探针，并且在未来，可以通过将专门针对特定目标的纳米复合化学物质应用于复杂阵列中的传感器来单独处理它们。生物标志物模式。”

研究人员并没有像上一代传感器那样将电化学电极浸入涂层溶液中，而是通过细喷嘴在电极上印刷了一层致密的水包油乳液。微小的油泡蒸发后，电极表面留下了一层1微米厚的涂层，该涂层由血液蛋白白蛋白的交联聚合分子组成，并含有互连的孔和电子传导金纳米线。

“这种纳米复合涂层中的多孔网络极大地增加了可用于附着专门设计的生物标志物检测探针的表面，同时可以接触到液体样本。因此，检测灵敏度显着提高。”第一作者、Ingber团队的博士后Jeong-ChanLee博士解释道。

“此外，喷嘴打印使我们能够在生物标志物检测工作电极上专门形成乳液图案，同时保持每个传感器中包含的相邻参考电极不受其影响，这减少了非特异性电噪声并增强了我们测量的特异性。”

自新冠肺炎(COVID-19)起

该团队重新利用了之前开发的三种与COVID-19相关的生物标志物的检测试剂组合，使用其新开发的涂层技术对传感器电极阵列进行图案化：一种支持CRISPR的SARS-CoV-2RNA传感器、一种传感器特异性传感器用于SARS-CoV-2衣壳抗原，以及用于病毒定向宿主抗体的传感器。

通过收集患者样本进行测试，与使用相同检测系统和该团队最好的无孔、更薄涂层制造的先前传感器相比，新传感器的检测灵敏度提高了3.75至17倍。它还以100%的准确度(特异性)区分阳性样本和阴性样本。

“具有这种下一代涂层的电化学传感器将非常适合监测病毒爆发、疫苗接种反应以及了解病毒感染过程中各种生物标志物之间的相关性，并且在未来，它们也可以用于其他疾病。”李说。

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