受大自然形成复杂矿物质的非凡能力的启发，研究人员已开发出多种创新的设计策略，成功制造出下一代生物传感器，这些传感器在灵敏度、选择性和生物相容性方面表现卓越。与天然材料相比，工程仿生材料具有可调性强、控制精准以及可集成特定功能以增强传感能力等优势。生物矿物的固有特性使得构建各种新型生物传感器成为可能，以满足多样化的传感应用需求。
据麦姆斯咨询报道，近期，高丽大学（Korea University）和米尼亚大学（Minia University）的研究团队在International Journal of Molecular Sciences期刊上发表了题为“Biominerals and Bioinspired Materials in Biosensing: Recent Advancements and Applications”的综述文章，探讨了生物矿物材料的独特物理化学特性、自组装功能传感器的出色能力以及量身定制的功能化策略，并重点分析了生物矿物基生物传感器在革新医疗保健、环境监测和各种分析应用中的巨大潜力。
生物矿物基生物传感器的开发策略是利用生物矿化原理（或仿生过程），通过模仿自然界复杂的矿化过程，来开发仿生矿物结构。这些结构能够使材料特性被精确控制，从而显著提升生物传感器的灵敏度、选择性和功能性，远超传统的方法。
生物矿物的固有特性为设计创新型生物传感器提供了重要的策略依据。近期的多项研究工作展示了这种创新策略用于各种传感机制的多功能性，例如在光学传感器、电化学传感器、磁性生物传感器和核酸检测平台等领域的多样化应用。
图1 用于拉曼光信标的DNA硅化模板（DNA-STROBE）设计与制造
图2 用于亚硝酸盐检测的仿生光学传感器示意图
图3 基于球石修饰的电化学感应传感器
图4 基于仿生碳酸钙的离子皮肤
图5 具有多功能性的生物工程细菌微型机器人
图6 用于生物传感的多功能仿生羟基磷灰石
图7 用于氧磷检测的生物矿化多功能装置
图8 用于智能手机比色检测的漆酶-矿物混合微花
上述这些研究成果展示了生物矿物基生物传感器在医疗健康领域的变革性潜力，其应用有望推动早期诊断和个性化治疗策略的进步。此外，这些传感器在检测环境污染物方面的实时精准能力，也将有助于推动环境的可持续发展。
展望未来，生物矿物基生物传感器将在更多领域展现出巨大应用潜力，并推动多个关键技术领域的进一步发展。这些有前景的研究方向包括：（1）深入研究参与生物矿化的基因和蛋白质，通过解析生物体构建复杂生物矿物的遗传和酶促途径，开启仿生学的新阶段；（2）将生物矿物基生物传感器与微流控和纳米技术结合，这种融合有望创造微型化、高通量和多路复用的传感平台，实现样本量减少、处理时间缩短以及多目标同时检测的能力；（3）提高生物相容性和生物识别能力仍是生物矿物基生物传感器研究的关键，持续优化表面功能化策略至关重要，以提高生物相容性并最小化组织损伤或排斥；（4）通过集成机器学习（ML）和人工智能（AI）算法，提升数据分析能力，改进信号处理，并加速实时监测，以实现更快、更准确的检测结果；（5）开发用户友好和便携式的生物矿物基生物传感器，为临床诊断和环境监测提供现场和实时检测的新方案，尤其适用于资源有限的环境，有利于早期疾病检测和环境监测。
通过解决上述关键领域问题，生物矿物基生物传感器有望成为个性化医疗、环境监测和广泛分析应用的基石技术。该技术的变革性潜力将助力开启一个高灵敏度、优异选择性和良好用户体验的生物传感新时代。
论文信息：
https://doi.org/10.3390/ijms25094678
延伸阅读：
《即时诊断应用的生物传感器技术及市场-2022版》
《可穿戴技术及市场-2023版》
