血液分析主要是利用血液分析儀對血細胞數(shù)量、形態(tài)和比例；或者對血液指標(biāo)，例如乳酸、葡萄糖等進行監(jiān)測，以對相關(guān)疾病做出診斷。目前血液分析技術(shù)的準(zhǔn)確性和及時性不夠，在美國，每年大約有1200萬病人被誤診，21%的死亡率可以避免。市售監(jiān)測全血或者血液分離設(shè)備實時性不夠高，監(jiān)測數(shù)據(jù)單一，不能滿足及時的病情診斷以及手術(shù)等緊急情況。
對此，南京工業(yè)大學(xué)金萬勤教授與南京大學(xué)醫(yī)學(xué)院附屬醫(yī)院馬正良教授合作，提出一種新型的分離傳感膜（SepSen membrane）它是一種異質(zhì)納米結(jié)構(gòu)材料，表面是納米多孔層，用來連續(xù)提取血清；下層是生物傳感通道，動態(tài)識別目標(biāo)生物分子，實現(xiàn)1分鐘內(nèi)對各種疾病患者血糖和乳酸的精確在線監(jiān)測，比現(xiàn)有技術(shù)快一個數(shù)量級。該成果以“A novel separation–sensing membraneperforming precise real-time serum analysis during blood drawing ”為題于2020年7月9日發(fā)表于《Angewandte Chemie International Edition》
[SepSen膜的制備與結(jié)構(gòu)]
普魯士藍（PB）對酶反應(yīng)具有很高的電化學(xué)活性，但多孔結(jié)構(gòu)的構(gòu)建能力較弱；反之，聚吡咯（PPy）在聚合過程中很容易生成均勻多孔膜，但缺乏催化能力，因此利用PB和PPy構(gòu)建電催化與成膜之間功能平衡的納米復(fù)合膜，以同時實現(xiàn)分離和生物傳感功能。
首先，將鐵和鐵氰化物的前體溶液填充于陶瓷中空纖維中（圖1b），隨后，Py溶液擴散至中空纖維，與Fe3+氧化引發(fā)聚合反應(yīng)形成PPy，接著Fe2+與[Fe（CN）6]3-發(fā)生配位反應(yīng)形成PB。因一開始Py濃度較高，因此合成早期可以在表面快速形成PPy層；之后，由于Fe3+和[Fe（CN）6]3-填充的緣故，Py沿孔道方向逐漸降低，PPy形成速率降低，產(chǎn)生的Fe2+較少，因此PB逐漸從不規(guī)則形狀變?yōu)橐?guī)整的納米立方體，由此產(chǎn)生異質(zhì)納米結(jié)構(gòu)。
圖1c顯示，SepSen膜具有2種不同的納米結(jié)構(gòu)，上層是一個200nm的連續(xù)層，為細胞分離提供通道；下層是由PB晶體和聚合物層組成，為識別生物分子提供通道。
[血細胞無損分離]
血液分析關(guān)鍵在于對細胞損傷降到最低。因此對血細胞受損風(fēng)險進行評估。圖2e顯示膜對水和血清的表面親水性：初始水接觸角為77.4°，3s內(nèi)迅速滲透到孔隙中；而初始血清接觸角為58.5°，表現(xiàn)出緩慢的滲透速率，表明SepSen膜可以與血清中的其他組分（而非水）存在界面相互作用。除水外，血清中還包含許多蛋白質(zhì)與電解質(zhì)，因此血清中的蛋白質(zhì)可以減緩血清向膜孔的滲透，從而為流經(jīng)膜表面的血細胞提供潤滑作用，減少細胞損傷。根據(jù)Gouy–Chapman方程，發(fā)現(xiàn)膜表面始終帶負點（圖2f），同時紅細胞表面帶有負電荷，靜電斥力防止細胞表面損傷，紅細胞可以在膜表面移動而不會出現(xiàn)明顯損傷或形態(tài)變化（圖2g）。
[SepSen膜的分離和生物傳感檢測]
纖維蛋白原（FIB）存在于血漿，分子量最?。?40000Da），為實現(xiàn)白細胞、紅細胞、血小板和纖維蛋白原與血清完全分離，膜孔徑應(yīng)小于但約為340000Da。文章發(fā)現(xiàn)，通過控制前體溶液中Fe3+的濃度可以有效調(diào)節(jié)孔徑（圖3d），從而直接控制分離通道的截留分子量（MWCO）。當(dāng)Fe3+濃度為1mM時，MWCO為315000Da，完全滿足血清與全血的分離。
以葡萄糖、乳酸鹽等5種不同物質(zhì)進行生物傳感監(jiān)測，圖3b-e所示，SepSen膜通過電化學(xué)氧化還原放大監(jiān)測信號，并且表現(xiàn)出電流與濃度的線性關(guān)系（圖f-h），靈敏度高。因此SepSen膜廣泛適用于各類識別，用于小分子、酶和生物標(biāo)志物的即時監(jiān)測。
[不同醫(yī)療場景下的臨床表現(xiàn)]
如圖4a所示，在血液分析過程中，監(jiān)測信號和分離血清的流速迅速穩(wěn)定，可以在約60s左右生成監(jiān)測結(jié)果。通過對分離過程的觀察，發(fā)現(xiàn)收集的血清是透明的淺黃色，全血是紅色不透明的（圖4b），進一步分析血清樣本，確認血清中不含白細胞、紅細胞、血小板或纖維蛋白，分離效果好；與全血相比，血清中主要電解質(zhì)（Na+和K+）和監(jiān)測目標(biāo)（葡萄糖和乳酸）濃度幾乎相同，表明分離過程中細胞沒有破壞，SepSen膜具有良好的生物相容性；圖4d所示，對5位不同疾病患者進行血液分析，發(fā)現(xiàn)SepSen膜分析的結(jié)果與市售儀器一致。
[小結(jié)]
文章提出一種新型分離傳感膜，在血液抽取過程中能夠?qū)崟r、連續(xù)地監(jiān)測血清中各種成分，與現(xiàn)階段使用的血液分析儀器效果相同，且速度更快，為手術(shù)和急診期間對患者的在線監(jiān)測提供技術(shù)支持，提高確診率，降低死亡率，為臨床醫(yī)學(xué)提供幫助。
全文鏈接：
