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  全球范圍內妊娠疾病的發病率和患病率令人擔憂，每年全球有超過20,000,000例高風險妊娠和2,600,000例胎兒死亡。其中，宮內缺氧、宮內感染和母嬰血型不容的發生率分別為38.5％、10％和25％。這些疾病可以通過分析羊水中生化物質的異常提前預警。例如，羊水中乳酸和氫離子增加與宮內缺氧密切相關，宮內感染往往伴隨著羊水葡萄糖濃度降低。如果在妊娠期可以對羊水中的生化物質進行實時監測，就有可能在這些疾病發生初期及時干預，提升母胎安全。

  然而，在胎兒發育過程中，羊膜起著保護作用，其厚度僅為 20–50 μm，當被檢測設備持續穿透時，容易發生破裂。與其他組織相比，羊膜含有較少的免疫細胞和修復因子，再生能力較差。在動態變形過程中，~0.28 N 的力就會導致羊膜破裂。而且，變形產生的應力會誘導基質金屬蛋白酶增加和細胞外基質降解，進而加劇羊膜破裂，導致羊水感染、胎兒流產。因此，目前還沒有方法可以實現妊娠期間羊水生化動力學的實時監測。

  近日，南京大學張曄課題組開發設計了一種界面穩定的纖維傳感器，用于實時監測妊娠期羊水中的生化動力學。通過開發生物界面匹配的高分子凝膠涂層，該傳感器可以實現與羊膜組織快速黏附、促羊膜再生和植入周期均勻的應力分布，維持羊水穩定。傳感器表現出優異的響應性能和高生物相容性，當妊娠期突發疾病時，傳感器實時監測到羊水中的生化異常并發出預警，極大改善了胎兒的存活率和發育狀況。該方法對于妊娠疾病的早期預警和改善胎兒的存活率和發育方面具有重要價值。成果近期以“Interface-Stabilized Fiber Sensor for Real-Time Monitoring of Amniotic Fluid During Pregnancy”為題發表在Advanced Materials，DOI：10.1002/adma.202307726。

圖1 纖維傳感器的示意圖

  纖維傳感器由多信號響應纖維芯和高分子凝膠殼組成。通過在碳納米管纖維電極上沉積功能材料制備響應纖維，監測不同信號的纖維被進一步加捻構成多信號響應纖維芯。高分子凝膠是通過將Ⅰ型膠原蛋白負載到絲素蛋白上制備的，然后涂覆在纖維芯上以獲得纖維傳感器。植入后的纖維傳感器在形態上類似于皮膚表面的毛發（圖1）。

圖2 纖維傳感器形成穩定的器件-組織界面

  纖維傳感器植入后，高分子凝膠在15分鐘內膨脹并封閉傷口，然后緊密貼合在羊膜上。隨后通過釋放凝膠中的Ⅰ型膠原蛋白促進羊膜上皮細胞向修復性羊膜間質細胞轉化。羊膜間質細胞通過分泌轉化生長因子-β誘導蛋白ig-h3（TGF-βi），來重塑羊膜周圍的環境，促進傷口愈合。作為羊膜完整性的有力證據，傳感器植入后，促炎細胞因子白細胞介素-6（IL-6）、IL-1β以及羊水的菌落培養和空白對照組無統計學差異。在整個植入期間，傳感器與羊膜的力學性能相匹配，作為局部應力的指標，基質金屬蛋白酶-8（MMP-8）和MMP-9的表達和空白對照組一致，且羊膜沒有產生額外的破裂（圖2）。

圖3 纖維傳感器的生物相容性

  由于傳感器與羊膜的穩定界面，其在體內的生物相容性得到了保證。將傳感器植入后，未觀察到明顯的炎性細胞浸潤。血細胞和血生化指標以及核心器官的狀況與空白對照組一致。進一步評估其對胎兒的影響，通過B超驗證了胎兒的大腦和四肢發育，并未觀察到明顯差異，妊娠大鼠的孕齡和子代存活率也與對照組一致。子鼠的體重，大腦發育和認知行為與正常鼠無統計學差異，證明了纖維傳感器良好的生物安全性（圖3）。

圖4 纖維傳感器的響應性能

  研究人員進一步評估了纖維傳感器的響應性能（圖4）。其表現出優異的靈敏度和響應范圍，滿足評估羊水中相應生化物質的動態波動。在磷酸鹽緩沖液中浸泡30天，其信號強度保持穩定。傳感器實時檢測的生化信號與臨床金標準（體外斷點測量）相比，準確度高達98%。此外，在模擬行走、搖晃、跳躍和彎腰等人體活動中，響應信號沒有明顯擾動。

圖5 纖維傳感器在妊娠疾病中的應用

  通過將纖維傳感器與柔性芯片集成，實現了對妊娠疾病的早期檢測預警（圖5）。具體而言，纖維傳感器將檢測到的生化信號轉換為電信號，然后由柔性芯片收集并處理，通過藍牙無線傳輸至手機，從而實現對生化物質的持續實時監測。將其應用在大鼠宮內缺氧的疾病模型中，當發生急性缺氧時，羊水pH迅速從7.4下降到6.7，而乳酸濃度在10分鐘內從5.2增加到7.2 mM。當監測到乳酸濃度超過7.2 mM后，傳感器發出早期警告，并及時采取相關治療措施。得益于傳感器的檢測預警，胎鼠的存活率達到了95％，接近未受影響的胎鼠水平。相比之下，沒有傳感器的檢測預警，在缺氧1小時后，存活率僅為13.3%，并且幼鼠腦部的促紅細胞生成素明顯降低，大腦發育大幅受損。因此，纖維傳感器在妊娠疾病的早期預警和改善胎兒的存活率和發育方面具有重要價值。

  該工作通過設計高分子凝膠涂層，開發了生物界面穩定的纖維傳感器，實現了在妊娠期間對羊水中多種生化標志物的連續、實時和特異性監測。該方法對于妊娠期疾病的早期預警和了解羊水生化動態具有重要價值。如果進一步擴展其監測的生化標志物，該方法將在個性化預防、診斷和治療妊娠疾病等方面具有重要意義。

  南京大學現代工程與應用科學學院博士生栗乾明、盧江和南京中醫藥大學李丹為論文共同第一作者，南京大學現代工程與應用科學學院張曄副教授為論文通訊作者，南京大學是該論文的第一單位。研究工作受到國家自然科學基金、江蘇省自然科學基金、江蘇省 “雙創團隊”項目等基金的支持。相關研究以“Interface-Stabilized Fiber Sensor for Real-Time Monitoring of Amniotic Fluid During Pregnancy”為題發表在Advanced Materials上。

  論文鏈接：https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adma.202307726