2026年3月24日，布莱顿大学和斯特拉斯克莱德大学的开发了一种集成了3D打印微型电极的电化学传感器平台，能够精确检测人类血清中的心脏病蛋白生物标志物——心肌肌钙蛋白I。
相关研究以题为“Development of a High-Sensitivity
Electrochemical Immunoassay Using a Fully 3D-Printed Electrocatalytic
Microelectrode Probe Platform”的论文发表于《分析化学》杂志。
心肌肌钙蛋白I是一种在心肌损伤时释放到血液中的蛋白质，也是心脏病发作诊断的核心生物标志物。传感器平台使用FlashForge Creator Pro 2 3D打印机制造的电极，在未稀释的人血清中检测到了浓度为7.4pg/mL的肌钙蛋白I，这一浓度范围被认为与早期检测的临床相关。目前医院的诊断流程依赖于实验室检测，这需要样本运输、专业人员和专用设备，而且通常需要几个小时才能出结果。急诊科接诊的胸痛患者数量正在增加，但其中只有一小部分是真正的心脏事件。如果有一种更快、更便宜且能可靠地诊断或排除心脏事件的检测方法，将具有真正的临床价值。
△用于检测人血清中肌钙蛋白 I 的微电极平台。图片来自 Niamh Docherty 等人，《分析化学》。
一种新型电极设计方法
研究人员将两种导电材料——炭黑（CB）和多壁碳纳米管（MWCNT）——结合，制成了四种电极类型，尺寸分别为直径1 毫米和约 0.1 毫米。在所有相关指标上，尺寸更小的纳米管电极均优于其他电极，所产生的信号强度远高于背景噪声，且能更有效地将带电粒子输送到电极表面。尽管0.1毫米的尺寸大于传统意义上的微电极，但这些电极的表现却与微电极类似。作者将这一特性归因于电极尺寸减小所带来的径向扩散，以及纳米管复合材料的电催化特性。这种测试方法无需对电极表面进行化学修饰，而电极表面修饰一直是电化学传感器开发中的一大难题。用抗体包覆电极会引入不一致性，降低电信号传导速度，且难以大规模可靠地复制。
相反，蛋白质检测完全在标准实验室微孔板的孔内进行，而非电极处。每个孔内衬有捕获抗体，用于捕获样品中的肌钙蛋白；另一种标记有酶的抗体则与捕获的蛋白质结合。标记酶随后将化学底物转化为电活性形式，电极通过测量15秒内产生的电流来检测活性形式。在两小时的测试条件下，检测平台在未稀释的人血清中检测到了浓度为 7.4 pg/mL 的肌钙蛋白
I。相比之下，同一作者之前使用薄金膜电极在类似条件下进行的研究达到了 1000pg/mL 的检测限。健康人肌钙蛋白 I 的正常阈值约为
15pg/mL，因此本文报道的灵敏度在临床相关范围内。
△3D 打印微型电极和心肌肌钙蛋白 I 的离电极检测示意图。图片来自 Niamh Docherty 等人，《分析化学》。
更快获得结果，避免处理错误
在测试大量样本时，出现了一个实际问题。用手在微孔板的孔之间移动电极速度很慢，而且无意的移动会引入信号噪声。研究团队在Bambu Lab A1 3D 打印机上设计并打印了“一致性浸入器”（ConsistentDipper）。这是一种导向式对接系统，通过棘轮机构将三电极单元以固定深度插入每个孔中。它降低了测量误差，并将两次测量之间的间隔时间从约 1 分钟缩短至约 5 秒。设计文件已在GitHub上公开。
为了探究能否缩短总检测时间，研究人员测试了在37°C下进行15分钟孵育并配合主动混合的方法。结果表明，在未稀释血清中，可在1小时内达到85 pg/mL的检测限。浓度值虽然高于高灵敏度实验室检测所使用的第99百分位阈值，但仍处于与心肌梗死相关的浓度范围内。
检测方案仍然依赖于所用酶和底物系统固有的 30 分钟化学转化步骤，这增加了整体测试时间。在三个非连续的实验日中，有两次实验结果的重复性可以接受。第三次实验结果显示出更大的变异性，这归因于试剂降解而非电极失效。由于打印分辨率为0.1毫米，电极间存在差异，这是已知现象，我们通过在使用前对所有电极进行筛选来控制这种差异。使用市售材料和标准桌面打印机，每个电极的制造成本约为17美分（约13便士）。研究人员表示，这是首次报道将微型3D打印PLA/MWCNT电极用于临床生物标志物检测。未来的研究将侧重于患者来源的样本以及潜在的非酶检测方法。
来源：南极熊
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