细胞作为生命体结构和功能的基本单元,通过释放各种信号分子进行胞间信息与信号传导,从而实现对有机体整体功能的调控。因此,准确、实时、动态监测细胞释放的生物信号分子,对认识细胞间通讯机制、理解正常生理过程以及揭示重大疾病分子机制均具有重要意义。信号分子一氧化氮(NO)在体内多个系统中发挥着重要调节作用,尤其在心血管系统中,NO具有促进血管舒张、抑制血小板聚集和白细胞粘附、抗炎性反应等作用。NO的生物利用度降低会引发一系列心血管疾病,如动脉粥样硬化、高血压和心力衰竭等。高效、实时、准确监测NO水平对深入理解其在体内的作用机制具有重要指导意义。电化学分析技术因灵敏度高、响应速度快、易于微型化及电极材料多样化等诸多优点,在实时原位监测活细胞或组织释放的信号分子方面具有独特优势。迄今研究者已发展了多种NO电化学传感器,并在生物体系检测中取得重要进展。然而,NO电化学传感器在生物医学中的深入应用仍然受到很多限制。首先,NO在体内的浓度范围广,目前对于nM浓度级别以上的检测已相对成熟,而更低含量(sub-nM)的NO测定仍然存在挑战。其次,对直接覆盖或培养在电化学传感器表面的细胞进行实时原位检测时,现有传感器在灵敏度、选择性、细胞相容性方面难以兼顾。尤为重要的是,在血管内皮细胞机械力信号转导过程中,内皮细胞灵敏感应机械力并在形变过程中产生和传递NO等重要生物化学信息。然而,目前的电化学传感器大多为刚性硬质电极,缺乏顺应性及弹性,不能发生机械形变以模拟血管对内皮细胞的拉伸力,长期以来在细胞机械力信号转导的实时原位监测方面尚未取得突破。针对以上现状和挑战,本论文立足于发展高性能电化学传感器以解决电化学方法在细胞实时监测中遇到的瓶颈问题,在提高常规电极灵敏度、选择性和生物相容性,研制新型可拉伸电化学传感器,实时监测细胞机械力信号转导等方面展开了系统性研究。论文工作主要包括以下几个方面：1.利用石墨烯优良的导电性、金属卟啉(FeTCP)对NO独特的电催化特性和3-氨基苯硼酸(APBA)与细胞膜中多糖分子特异结合的性质,通过将石墨烯和FeTCP非共价复合,再共价连接APBA的方式,构筑了基于功能化石墨烯的仿生传感界面。石墨烯和卟啉分子的协同作用,使得传感器对NO的电化学检测具有极高的响应能力；粘附小分子APBA有效提高了传感界面的选择性和生物相容性。结合微加工技术,我们制备了基于功能化石墨烯的多功能微传感器阵列,对NO具有很高的灵敏度和选择性,在细胞培养基中对NO的检测限可达90 pmol/L。采用该传感器阵列,在单细胞水平上实现了人脐静脉内皮细胞(HUVECs) NO释放的高灵敏实时监测。2.发展了以Ag纳米线为模板,温和、原位合成大长径比纳米材料Au nanotubes(NTs)的方法,进一步以制备的Au NTs网络为导电层,制备了新型可拉伸电化学传感器-Au NTs/PDMS。无序Au NTs网络结构赋予电极良好的机械形变性能(拉伸应变50%,弯曲半径1 mm)；Au纳米材料的优异导电性和电催化性能,使得AuNTs/PDMS对NO分子具有良好的响应能力,检测限为3 nmol/L;同时,1D纳米结构基底有利于细胞的牢固粘附及良好生长,且在发生机械形变时,Au NTs/PDMS仍能保持上述性质。基于此,我们将HUVECs培养在此可拉伸电极表面,首次实现了内皮细胞处于拉伸状态下释放NO的实时监测；此外,将Au NTs/PDMS卷曲插入到人脐带组织的血管内壁,成功实现了柔性电极对弹性组织的实时监测。3.为了进一步考察机械力刺激对内皮细胞产生NO的影响,实现内皮细胞机械力信号转导的实时监测,我们将CNTs网络搭载在Au NTs网络表面,构建了基于CNTs和Au NTs复合结构的高性能可拉伸电化学传感器-CNTs/Au NTs/PDMS。两种纳米结构的复合赋予该传感器更优异的电化学传感性能(检测限为0.8 nmol/L)和抗机械形变性(拉伸应变100%),同时,CNTs的引入进一步提高了细胞相容性。将HUVECs培养在CNTs/Au NTs/PDMS电极后,对电极施加张力,使细胞发生动态拉伸应变,成功监测到HUVECs被拉伸时NO的快速释放过程。在此基础上,系统考察了拉伸应变幅度对HUVECs释放NO的影响,并根据实验结果对内皮细胞机械力信号转导机制进行了初步探讨。