东京科学大学物质理工学院的水野隼斗助教、安乐泰孝副教授，与东京农工大学的赤木友纪副教授、九州大学先导物质化学研究所的福原学教授等人合作，开发出了可高精度、实时测量0.1～50兆帕水压（静水压）的全新传感器“Pyr-PICsome”。相关研究成果已发表于期刊《ACS Applied Nano Materials》。
图1 荧光随静水压而变化的不同硬度的纳米粒子（供图：东京科学大学）
图2 a）Pyr-PICsome的合成路线图。b）不同交联剂添加浓度下制备的Pyr-PICsome粒径分布。c）不同交联剂添加浓度下制备的Pyr-PICsome原子力显微镜图像。低交联剂浓度下制备的粒子之所以表观尺寸偏大（照片左侧），是因为粒子较软，被微悬臂压扁所致。
从深海海底到细胞内部，水压始终影响着各类环境中的化学反应和生命活动。近年来，水压在医疗与生物学领域也受到关注，包括心肌细胞收缩、椎间盘机械稳态维持等。然而，由于传统压力传感器尺寸过大，此前没有能实时、高空间分辨率测量微小水溶液环境或生物组织内压力的手段。
虽然荧光染料芘是一种已知的分子级压力传感器，但它存在疏水性强、难溶于水，以及浓度变化会导致信号紊乱等致命弱点，因此一直被认为难以在复杂水环境或生物体内实现实用化。
研究团队将目光投向了生物相容性优异、膜性质可自由调控的高分子纳米胶囊“PICsome”。通过改变这种胶囊膜的化学键合程度（交联浓度），在保持胶囊尺寸（约100纳米）不变的情况下，确立了一种可在7.3～39皮牛顿/纳米范围内灵活调控膜硬度（弹性模量）的技术——研究团队通过共价键将芘分子固定在该纳米胶囊膜上，合成得到“Pyr-PICsome”，并验证了其在高水压下的特性。
实验结果显示，通过调节胶囊硬度即可对压力灵敏度进行灵活调整。膜最软（7.3皮牛顿/纳米）的纳米传感器受压后，膜内芘分子容易相互靠近并高效产生激基缔合物荧光，因此，与最硬膜（39皮牛顿/纳米）的传感器相比，其压力灵敏度实现了约14倍的显著提升。
这种纳米传感器具有完全的水溶性。即使在盐浓度较高的海水或富含蛋白质的细胞培养液中，胶囊也不会破裂或聚集，而是会极其稳定地工作，表现出优异的环境稳定性和生物相容性。此外，该传感器发出的激基缔合物荧光寿命（约55～75纳秒）是生物体自然发出的噪声光（自发荧光寿命不足5纳秒）的10倍以上，因此，通过时间域滤波，即使在杂质较多的复杂环境中也能不受背景噪声干扰，仅提取出极为准确的压力数据。
近年研究显示，多种疾病与静水压的升高或降低与疾病发病有关；另一方面，疾病本身也可能引起局部压力增减。
此次开发的纳米传感器，为无创、准确读取此前无法触及的生物体内或组织内目标微小部位的压力提供了可能。这有望为开发前所未有的全新诊断策略作出重大贡献，例如超早期发现压力异常相关的特定疾病（组织水肿、青光眼、关节及软骨疾病等），以及实现病理过程的可视化。
今后，研究团队将通过在该纳米传感器表面修饰可识别特定细胞或组织的分子（配体），推进精密生物成像工具的实用化，以精准捕捉目标病变部位细胞间隙或细胞内微环境的压力。此外，研究人员还将应用本次采用的、通过改变材料硬度来设计分子光学响应的模块化方法，致力于创造出不仅能感知压力，还能同时感知其他物理和化学刺激的智能材料。同时，研究团队还将进一步拓展该传感器的应用，使其成为一项强有力的基础技术，以解开生命科学的一个根本谜题：深海微生物在极端环境下如何感知并适应压力。受技术限制，此前这类测量无法开展。
原文：《科学新闻》
翻译：JST客观日本编辑部
【论文信息】
期刊：ACS Applied Nano Materials
论文：A Programmable Nanovesicle Platform for Megapascal Pressure Sensing
DOI：10.1021/acsanm.6c02728
