用于脑损伤分析的超小型微电极生物传感器

为什么在创伤性脑损伤(TBI)后监测间质液的化学变化很重要?

对于可能处于昏迷状态，已经停止说话或无法对临床检查做出反应的严重受伤患者，医生需要使用设备来了解大脑是如何恢复的。为了监测大脑活动，生物传感器可用于分析大脑间质液。由此，我们可以做出临床决定，并在必要时启动治疗。

在受伤的大脑中通常会发现什么代谢变化?

对于严重的脑损伤，我们通常监测葡萄糖，乳酸和丙酮酸等代谢物，它们告诉我们大脑是如何产生能量的。有特定的模式可以告诉我们大脑是否正在恢复。

例如，如果大脑正在自我修复，它将消耗大量的葡萄糖，因此你可以看到浓度下降。在这个过程中产生了大量的乳酸和丙酮酸，所以你会看到浓度上升。这是一个好兆头。相反，如果大脑不能产生能量，你会看到乳酸上升，丙酮酸下降。这可以通过脑微透析检测，并且可能在未来使用微电极生物传感器。

为什么微电极生物传感器可用于检测脑间质液的神经化学变化?

微电极生物传感器是有用的，因为它们可以小型化到非常小的尺寸。这有助于防止插入探头时对大脑造成伤害。另一个优点是它们可以提供逐秒数据，使我们能够观察大脑中正在发生的非常快速和瞬态的变化。

传统微电极生物传感器的主要局限是什么?

主要限制是探针的大小。我们必须插入探针以了解大脑内部的化学反应。这会伤害大脑，特别是组织中的小血管。这产生了两个问题。首先，它会对大脑造成进一步的伤害，其次，它会降低数据的有效性。

即使我们没有造成任何损害，另一个问题是当插入探针时我们不知道周围组织是否表现不同。然而，微电极生物传感器目前在动物中进行测试，并且与诸如脑内微透析的常规技术相比代表了重大进步。

请问您能描述一下您开发的超小型微电极生物传感器吗?

微电极生物传感器由微电极和固定在尖端上的酶组成。它基本上是一种小型化的酶测定法。如上所述，传统的微电极生物传感器具有许多风险。在我的研究团队中，我们开发了一种使用碳纤维直径为12微米的超小型生物传感器。这非常小，我们很自豪能够实现这一目标。

当生物传感器植入大鼠模型时，您看到了什么?为什么这很重要?

当将生物传感器植入大鼠模型时，我们看到大脑中的氧水平和乳酸水平降低。这证明了我们根据传统微电极生物传感器的数据得出的浓度估算并不完全准确。然后我们能够将估计值调整到更接近现实的值，因此测试非常重要。

我们还发现传感器周围的小血管得以保留。这表明我们的探针在插入和移除时不太可能损伤周围组织。如果我们想将我们的传感器应用于患者，这将是非常重要的。

你为什么选择使用镀铂碳纤维?

铂是制造微电极生物传感器的首选材料。然而，铂丝的问题在于它们往往很厚。此外，铂是一种柔软的金属，所以如果你把线做得太薄，整个东西就会弯曲，使它无法操纵。

因此，我们决定通过设计一种用铂金覆盖碳纤维的方法来结合这两种性能。通过这样做，我们获得了具有铂的所有化学特性的超小物体，这两者兼具优势。为了解决这个问题，我们转向碳纤维。碳纤维非常坚硬，可以轻松操作。碳的唯一问题是它不是一种很好的电化学材料，可用于我们想做的那种分析。

为什么能够在TBI后逐秒监测大脑很重要?

我们知道，在受伤的大脑中，我们希望能够看到一些非常快速和瞬态的病理事件，因此任何技术都具有高时间分辨率是很重要的。这方面的一个例子是皮层扩散去极化，其中去极化波通过神经和神经胶质细胞扩散到大脑。这些细胞一起去极化并在消失之前传播到大脑中。整个过程持续约五分钟。

我们需要能够描述每个阶段的过程，如皮质扩散去极化，以便医生了解这些波是否发生，化学特征是什么，以及它是否对患者的健康构成威胁。能够逐秒观察这种情况非常好。我们也可以有一个数据点持续十秒钟，但是秒数却是我们的目标。

新型生物传感器与传统生物传感器相比还有哪些其他优势?

我们的超小型生物传感器的主要优点是它们的尺寸，这使我们能够将它们植入并取出而不会对患者或动物造成伤害。此外，因为我们没有伤害组织，我们的化学值更准确，并且与我们想要研究的大脑的真实状态相关。反过来，这使医生能够为患者做出最佳的临床决策。

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