《Bioactive Materials》: 莫尔条纹“跨界”监测水凝胶体积变化

莫尔条纹是18世纪法国研究人员莫尔先生首先发现的一种光学现象。从技术角度上讲，莫尔条纹是两条线或两个物体之间以恒定的角度和频率发生干涉的视觉结果。当人眼无法分辨这两条线或两个物体时，只能看到干涉的花纹，这种光学现象中的花纹就是莫尔条纹。

韩国延世大学的Hyung Keun Lee、JaeJong Lee和Won-Gun Koh教授团队，采用了莫尔图案的概念，设计开发了一种基于生物响应水凝胶的传感平台。研究人员准备了两组具有不同节距大小的线型图案；其节距大小根据外部刺激而改变，以及具有恒定节距大小的参考光栅。外部刺激引起的水凝胶体积变化改变了水凝胶光栅的节距大小，随后改变了莫尔条纹图案（莫尔条纹信号）的节距尺寸，其值可以通过定制的莫尔条纹显微镜和信号处理以实时和无标记的方式获得。

图1 利用莫尔模式来监测生物反应性水凝胶的体积变化

在确认可以使用莫尔图案监测pH诱导的水凝胶溶胀后，研究人员使用通过与目标蛋白相互作用而收缩的蛋白质响应性水凝胶进行基于莫尔图案的特定蛋白质检测。选择脑源性神经营养因子和血小板源性生长因子作为模型蛋白，成功地在毫摩尔水平上检测到这两种蛋白。在这两种情况下，使用莫尔图案比直接测量更灵敏地监测水凝胶光栅的节距尺寸变化。在离体环境中，使用包含水凝胶光栅的定制人工晶状体检测靶蛋白引起的莫尔信号的变化，证明了该系统在植入眼内时检测眼内房水中各种标记物的能力。相关工作在2022年11月29日以“Real-time and label-free biosensing using moiré pattern generated by bioresponsive hydrogel”为题发表在《Bioactive Materials》上。

图2利用定制的莫尔显微镜系统获取莫尔模式图像和定量信号

为了产生莫尔信号，参考光栅与水凝胶光栅覆盖。当水凝胶光栅的间距尺寸随外部刺激下水凝胶体积的变化而发生变化时，莫尔信号也发生了变化。pH响应型和蛋白质响应型水凝胶传感模块的参考光栅的螺距尺寸分别为58μm和43 μm，这是由pH诱导的体积变化大于蛋白质诱导的水凝胶体积变化所决定的。使用图2所示的莫尔显微镜系统进行图像采集和信号处理。

图3 微槽型水凝胶光栅的制备

铂涂层不影响水凝胶的吸水能力，但减缓了水通过水凝胶的扩散动力学。经过铂涂层后，可见莫尔图案，如图2f所示。在研究中，使用了铂涂层作为造影剂，以更好地显示来自水凝胶光栅的莫尔信号。

图4 通过酰化抗体与AAm共聚制备蛋白响应性水凝胶光栅

为了制备蛋白质反应性水凝胶，针对目标蛋白的抗体用可聚合的丙烯酸酯末端进行修饰。将酰化抗体和AAm与引发剂、交联剂和催化剂在硅片模具上共聚，随后的Pt涂层产生对目标蛋白有反应的水凝胶光栅，如图4a所示。将目标蛋白扩散到水凝胶中，通过形成抗原-抗体复合物，增加了水凝胶网络的交联程度，从而导致水凝胶的收缩。铂包被和抗体固定化的水凝胶光栅具有细胞相容性，没有任何毒性作用。

图5 使用IOL中加载BDNF反应水凝胶的体外实验

如图5a所示，在角膜和晶状体之间植入含有对照和靶响应水凝胶光栅的IOL。图5b显示了加载有对照和BDNF响应水凝胶光栅的IOL，其中可以使用莫尔显微镜系统观察微凹槽图案。植入的人工晶状体在猪眼中固定良好，肉眼可见（图5c）。当将700μL的222 nM BDNF PBS溶液注入其中一只猪眼睛时，BDNF响应水凝胶中的莫尔信号从152.92μm降至133.80μm（图5d）。

通过该项研究，研究人员证明了莫尔条纹的概念可以成功地用于监测由外部刺激引起的生物响应性水凝胶的体积变化。

文章来源：https://doi.org/10.1016/j.bioactmat.2022.11.010