英国布莱顿大学与斯特拉斯克莱德大学研究团队开发出一种基于3D打印电极的心肌梗死检测平台，可在人体血清中高灵敏检测心肌肌钙蛋白I（Troponin I）。该电化学传感器采用低成本材料制造，单个电极成本仅约0.17美元，却能实现7.4 pg/mL的检测水平，达到临床早期诊断要求。相比传统医院检测流程，该方法无需复杂设备与专业操作，检测更快速高效，有望缓解急诊压力。此项研究为低成本、便携式心脏病早筛技术提供了新方向。
来自英国布莱顿大学和斯特拉斯克莱德大学的研究人员开发出一种电化学传感器平台，能够在人体血清中检测心脏病发作相关的蛋白质生物标志物。
该研究发表于《Analytical Chemistry》，重点针对心肌肌钙蛋白I，这是一种在心肌受损时释放到血液中的蛋白质，也是心脏病发作诊断中的核心生物标志物。该平台使用在FlashForge Creator Pro 2 3D打印机上制造的电极，在未稀释的人体血清中实现了7.4 pg/mL的肌钙蛋白I检测水平，这一浓度处于临床早期检测所认为具有意义的范围之内。
目前医院的诊断流程依赖于基于实验室的检测方法，这类方法需要样本运输、专业人员操作以及专用设备，通常需要数小时才能获得结果。与此同时，急诊科因胸痛就诊的病例数量正在上升，而其中只有一部分是真正的心脏事件。如果能够提供一种更快速、成本更低且能够可靠排除或确认患者风险的检测方法，将具有重要的临床价值。
用于在人类血清中检测肌钙蛋白I的微电极平台。图片来源：Niamh Docherty等，《Analytical Chemistry》。
一种新型电极设计方法
研究人员通过将两种导电材料——炭黑（CB）和多壁碳纳米管（MWCNT）——应用于两种尺寸（直径1毫米和约0.1毫米），构建了四种不同类型的电极。
其中，较小尺寸的纳米管电极在所有关键性能指标上均优于其他类型，表现为更强的信号相对于背景噪声，以及更高效地将带电粒子传输至电极表面。尽管0.1毫米的尺寸在传统定义上略大于微电极，但这些电极表现出了类似微电极的特性，作者将其归因于较小尺寸带来的径向扩散效应，以及纳米管复合材料的电催化特性。
该测试流程无需对电极表面进行化学修饰，这在以往的电化学传感器开发中一直是较为困难的问题之一。通过抗体对电极进行涂层会引入不一致性，可能减缓电信号响应，并且在规模化生产中难以可靠复制。
相反，蛋白质的检测过程完全在电极之外进行，即在标准实验室微孔板的孔中完成。每个孔内涂覆的捕获抗体会从样本中捕获肌钙蛋白，随后带有酶标记的第二抗体与被捕获的蛋白结合。该酶随后将化学底物转化为具有电活性的形式，电极通过测量由此产生的电流，在15秒内完成检测。
在未稀释的人体血清中，经过两小时的测试条件，该平台实现了7.4 pg/mL的检测限。相比之下，作者此前使用薄金膜电极进行的研究，在类似条件下的检测水平为1000 pg/mL。健康人群中肌钙蛋白I的正常阈值约为15 pg/mL，这意味着本研究报告的灵敏度已处于临床相关范围之内。
3D打印微型电极及离电极检测心肌肌钙蛋白I的示意图。图片来源：Niamh Docherty等，《Analytical Chemistry》。
在减少操作误差的同时加快检测速度
在对大量样本进行测试时，研究人员发现了一个实际问题：手动在微孔板不同孔之间移动电极既耗时，又会因无意的晃动引入信号噪声。
为此，团队设计并在Bambu Lab A1 3D打印机上制造了一种名为Consistent Dipper的装置。这是一种导向对接系统，可通过棘轮结构将三电极单元以固定深度插入每个孔中。该装置降低了测量的波动性，并将每次测量之间的时间从约1分钟缩短至约5秒。其设计文件已在GitHub上公开发布。
为了探索是否可以进一步缩短整体检测时间，研究人员在37°C条件下进行了15分钟孵育并配合主动混合实验。在总测试时间为1小时的情况下，该方法在未稀释血清中的检测限为85 pg/mL。这一浓度位于心肌损伤相关范围内，但高于高灵敏度实验室检测所采用的第99百分位阈值。
该检测流程仍然依赖于酶与底物体系固有的约30分钟化学转化步骤，这也是整体测试时间的重要组成部分。
在跨越三个非连续日期的重复性测试中，其中两次结果表现良好，第三次出现了较高的波动性，研究人员将其归因于试剂降解，而非电极本身的性能问题。不同电极之间的差异（这是在0.1毫米分辨率下打印的已知问题）通过在使用前对电极进行筛选得到了控制。
每个电极的制造成本约为0.17美元（约合13便士），所使用的材料均为商业可得，且可通过标准桌面级3D打印设备生产。研究人员表示，这是首次在该类检测体系中报道使用微尺度3D打印PLA/MWCNT电极进行临床生物标志物检测。未来的研究将重点放在患者样本验证以及潜在的非酶检测方法上。
