分子印迹聚合物的设计合成及其在医学诊疗与生物催化中的应用

doi:10.3724/SP.J.1123.2025.06013

摘要/Abstract

摘要：

分子印迹技术（MIT）因设计灵活、适用广泛，已在疾病诊断、环境监测与食品安全等领域展现出重要应用潜力。然而，传统本体聚合法仍存在传质效率低、模板残留严重及大分子印迹效率不足等问题，同时受制于成本、标准化及跨学科融合等因素，限制了MIT的规模化应用。针对上述问题，本团队围绕功能单体的高通量筛选与识别机制解析，建立了标准化功能单体库，并结合粗粒化模拟，实现了复杂体系中印迹聚合物（MIPs）的精准设计与可控合成。通过技术路径优化与材料体系升级，开发出高效固相模板表面印迹及具温度/pH响应特性的智能印迹材料，其结合亲和力显著提升，平衡解离常数（K_D）可达10^-12 mol/L，较非印迹聚合物提升逾万倍。在应用层面，团队构建了MIPs的多维交叉体系：在生物分离纯化中实现复杂体系中蛋白质的高效富集；在生物催化中搭建双酶级联系统以提升催化效率与酶活复性；在生物医学方向开发出皮克（pg）级灵敏度的生物标志物检测与超低浓度肿瘤细胞（5个细胞/mL全血）识别平台，拓展至肿瘤诊疗一体化与微生物群落干预等前沿领域。本文综述了近5年MIT在生物医学与生物催化领域的研究进展，系统总结了本团队在MIPs理性设计、制备方法及交叉应用方面的成果，并展望其在智能响应材料与集成化诊疗系统中的发展方向。

关键词: 分子印迹聚合物, 智能响应材料, 生物催化, 医学诊疗, 高通量筛选与精准识别

Abstract:

Molecularly imprinted technology （MIT） represents an advanced synthetic strategy that emulates biological recognition mechanisms， such as antigen-antibody or enzyme-substrate interactions， by creating three-dimensional cavity-like structures through the directional assembly of functional monomers around a template molecule. This process generates spatial and functional complementarity， enabling highly selective recognition of target species. Molecularly imprinted polymers （MIPs）， often described as “synthetic antibodies”， overcome the intrinsic limitations of natural biomolecules by offering superior selectivity， robustness， cost-effectiveness， and structural tunability. These features position MIPs as promising alternatives to natural antibodies in targeted sensing and drug delivery， with broad applications across biomedical， environmental， and pharmaceutical domains， including pollutant detection， and food safety monitoring. Despite substantial progress， key challenges remain， such as uneven imprinting layers， template residue， and limited aqueous compatibility in macromolecular imprinting. Furthermore， issues of industrial scalability， unclear recognition mechanisms， and insufficient integration with emerging fields such as microfluidics and artificial intelligence have hindered large-scale translation. In recent years， our research team has systematically advanced MIT through a tri-dimensional strategy encompassing high-throughput monomer screening， mechanistic elucidation of molecular recognition， and directional assembly of functional units. By establishing a standardized monomer library and integrating molecular dynamics simulations， we achieved precise material design under complex conditions. Through process optimization and material innovation， we developed a highly efficient solid-phase surface imprinting method that enables the fabrication of smart MIPs with stimuli-responsive properties （e.g.， temperature and pH）. These MIPs exhibit markedly enhanced binding affinity， with equilibrium dissociation constant （K_D） reaching 10^-12 mol/L， over four orders of magnitude higher than those of non-imprinted polymers （NIPs）. Building on these advances， we established cross-disciplinary application platforms， including affinity-based protein separation and purification systems capable of efficient dual-enzyme cascade immobilization and inactivated enzyme renaturation. In the biomedical domain， we developed ultrasensitive biosensing methods achieving picogram-level detection of heart failure biomarkers and single-digit （≈5 cells/mL） detection of cancer cells in whole blood， extending these methods toward integrated tumor theranostics and microbial community regulation. This paper comprehensively summarizes our team’s recent innovations in the rational design， functionalized fabrication， and cross-disciplinary applications of MIPs， spanning biosensing， biocatalysis， and biomedical diagnostics/therapeutics， while contextualizing these within the latest global advances in biomedicine and catalysis. Looking forward， we identify three strategic research frontiers for next-generation MIT. （i） Smart responsive material systems： design MIPs capable of multi-stimuli responsiveness （e.g.， magnetic， photothermal， and pH cues） to enable programmable drug release， real-time signal monitoring， and dynamic feedback regulation. （ii） Quantitative modeling of dynamic recognition： establish multi-scale theoretical frameworks to elucidate coupling between cavity flexibility and target conformational dynamics， guiding structure optimization and function-oriented design of adaptive MIPs. （iii） Integrated intelligent theranostic platforms： integrate microfluidics and biomimetic recognition modules into closed-loop systems capable of biomarker detection， targeted delivery， and real-time therapeutic feedback， bridging the gap between in vitro sensing and in vivo precision intervention. Synergistic advancement along these trajectories will empower MIT to transcend its role as a “static recognition material” and evolve into an intelligent， adaptive， and systematic biomedical platform. Such evolution will accelerate the translation of MIT innovations from laboratory to clinic and industry， propelling progress in personalized medicine， point-of-care diagnostics， and synthetic biology， and yielding profound scientific and societal impact.

Key words: molecular imprinting polymers（MIP）, stimuli-responsive materials, biocatalysis, medical diagnosis and therapy, high-throughput screening and specific molecular recognition

中图分类号:

O658

宋庆美, 李昕昊, 吕永琴. 分子印迹聚合物的设计合成及其在医学诊疗与生物催化中的应用[J]. 色谱, 2026, 44(2): 134-150.

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图/表 9

图1 EGFR表位多肽（420~431： NITSLGLRSLKE）作为模板分子，通过高通量筛选策略获得最佳聚合物配方合成的MIPs示意图［18］

Fig. 1 Schematic illustration of MIPs synthesized using the EGFR epitope peptide （420-431： NITSLGLRSLKE） as the template and optimized polymer formulation obtained via high-throughput screening［18］ EGFR： epidermal growth factor receptor.

图2 （a）波形蛋白二聚体的全原子结构；（b）波形蛋白二聚体与交联共聚物网络相互作用的示意图［20］

Fig. 2 （a） All-atomic structure of vimentin dimer；（b） schematic diagram of the interaction between vimentin dimer and cross-linked copolymer network［20］ AA： amino acid； Exp： experiment； Sim： simulation.

图3 基于“物理印迹”在MOF中构建与酶分子尺寸和形状匹配的“印迹腔室”［27］

Fig. 3 Schematic diagram of “imprinted chambers” constructed in metal-organic framework materials （MOF） matching the size and shape of enzyme molecules based on “physical imprinting”［27］

图4 在LPS作为模板存在下，采用通过96孔板筛选出的最佳聚合物配方合成MIPs的示意图［29］

Fig. 4 Schematic illustration for the synthesis of MIPs using the optimal polymer formulations screened from 96-well plates in the presence of LPS as the template［29］APS： ammonium persulfate； LPS： lipopolysaccharide； MIP： molecularly imprinted polymer.

图5 （a） BNP的氨基酸序列结构；（b）通过将表位多肽固定在功能化的磁性纳米颗粒上制备磁性模板的过程示意图；（c）5-羧基荧光素修饰MIPs纳米颗粒的合成过程；（d） MIPs包被碳量子点的合成过程；（e）荧光法检测血清样品中的BNP［33］

Fig. 5 （a） Amino acid sequence structure of B-type natriuretic peptide （BNP）；（b） schematic of the preparation of a magnetic template by immobilizing the epitope polypeptide on a functionalized magnetic nanoparticles；（c） synthesis process of 5-carboxyfluorescein-modified MIPs；（d） synthesis process of carbon quantum dots coated with MIPs；（e） detection of BNP in serum samples by fluorescence method［33］

图6 （a）基于BNP浓度与荧光强度函数关系的分析校准曲线；（b）荧光检测法重现性研究：采用10个独立合成批次的nanoMIP@CD测定同一加标BNP的血清样本；（c）方法重复性研究：使用同批次nanoMIP@CD测定10份等浓度加标BNP的血清样本；（d）基于nanoMIP@CD/nanoNIP@CD的荧光检测法与临床常规电化学发光法对160例未知血清样本的BNP检测结果对比［33］

Fig. 6 （a） Analytical calibration curve for the determination of BNP concentration as a functional of fluorescent intensity；（b） reproducibility assessment： measurement of identical spiked BNP serum samples using nanoMIP@CD from 10 independent synthesis batches；（c） repeatability evaluation： measurement of 10 spiked BNP serum samples at identical concentrations using the same nanoMIP@CD batch；（d） BNP detection in unknown clinical serum samples from 160 individuals using the novel nanoMIP@CD/nanoNIP@CD-based fluorescent detection method compared with routine hospital electrochemiluminescence detection［33］

图7 使用磁性固相模板介导的分散相印迹方法制备表位印迹纳米凝胶（MIP-M）的过程示意图［34］

Fig. 7 Schematic representation of the process for preparing epitope imprinted nanogels （MIP-M） using the dispersed phase imprinting method mediated by magnetic solid phase templates［34］

图8 （a）将蛋白固定在磁性纳米颗粒上，用盐酸胍进行变性处理，合成、富集和纯化nanoMIPs的过程示意图；（b）使用nanoMIPs恢复变性酶的过程示意图［35］

Fig. 8 （a） Schematic of the process of synthesis， enrichment and purification of nanoMIPs by immobilizing proteins on magnetic nanoparticles and denaturing them with guanidine hydrochloride；（b） schematic of the process of denaturase recovery using nanoMIPs［35］ MagNP： magnetic nanoparticles.

图9 聚（甲基丙烯酸缩水甘油酯-二甲基丙烯酸乙二醇酯）整体柱的表面改性及蛋白印迹PNIPAAm层接枝合成方法（该过程包括利用乙二胺和2-溴异丁酰溴进行表面官能化，随后引发聚异丙基丙烯酰胺（PNIPAAm）层的表面接枝聚合）［44］

Fig. 9 Schematic illustration of the synthetic strategy for surface modification of a poly（glycidyl methacrylate-co-ethylene dimethacrylate） monolith using ethylenediamine and 2-bromoisobutyryl bromide， followed by surface grafting of a protein-imprinted PNIPAAm layer［44］ ATRP： atom transfer radical polymerization； NIPAAm： N-isopropyl acrylamide； AAm： acrylamide； PMEDTA： N，N，N′，N″，N″-pentamethyl diethyenetriamine.

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