基于微針的生物傳感器研究進展

皮膚作為人體最大的器官，儲存了各種代謝物，可以作為疾病預后和監(jiān)測的生物標志物。微針（Microneedles，MNs）是一種微小的針頭，以微創(chuàng)的方式應用在皮膚上，用于促進經皮給藥或吸取皮膚中的間質液（ISF），其中包含各種可以用作生物標志物的代謝物。采集間質液后可以進行后續(xù)的分析或在現(xiàn)場進行實時的生物傳感，以用于疾病診斷和藥物監(jiān)測。微針的這種無痛和易于使用的特點對患者具有非常大的吸引力，尤其適用于長期監(jiān)測。

近期，貝爾法斯特女王大學Ryan F. Donnell教授等人，討論了微針在生物傳感領域的應用。該論文重點討論了不同類型的微針和用于開發(fā)基于微針的生物傳感技術。此外，該論文還討論了將微針與可穿戴設備集成以實現(xiàn)實時監(jiān)測，從而改善即時醫(yī)療檢測的潛力。最后，該論文回顧了在將這項技術從實驗室引入臨床應用過程中需要考慮的轉化障礙。該綜述文章以“Microneedle-based biosensing”為題發(fā)表在Nature Reviews Bioengineering期刊上。第一作者是貝爾法斯特女王大學的Lalitkumar K. Vora博士。

用于生物傳感的微針類型

首先，論文討論了用于生物傳感的不同類型的微針。微針是一種微小的針頭，可以無痛地穿透皮膚的最外層，即角質層，形成可以用于給藥的毛孔。除了用于給藥，微針還可以開發(fā)用于診斷的生物傳感器。根據(jù)穿透皮膚的深度，它們可以用于提取間質液或者血液。此外，微針還可以在皮膚內用作電極。

圖1 不同類型的基于微針的生物傳感器及其發(fā)展歷程

微針可以通過簡單的貼片方式施加在皮膚上，也可以借助手持式施用器進行施用。另外，基于微針的生物傳感器也可以集成到可佩戴的手環(huán)等設備中。微針的主要類型包括實心微針、涂層微針、多孔微針、可溶解微針、水凝膠微針和空心微針。

實心微針是最早發(fā)明的微針類型，通常由金屬（如不銹鋼或鈦）制成，常用的制備方法包括蝕刻或激光切割。實心微針通常用于兩步采樣過程的一部分，它們被應用于皮膚上，然后在使用額外的采樣技術（如吸引力或吸收性膜）提取間質液之前被移除。然而，實心微針采樣效率較低，限制了其用于間質液采樣的應用。

涂層微針是用于診斷目的的實心微針的改進版本，通常由不銹鋼、硅或聚合物（如聚碳酸酯、聚乳酸、聚己內酯或聚甲基丙烯酸甲酯）制成，然后涂覆上金屬等生物傳感物質。這些微針可以作為電化學滴定的電極，用于檢測某些癌癥、腎功能衰竭、周圍動脈疾病、藥物和葡萄糖監(jiān)測等生物標志物。然而，某些涂層可能存在生物相容性問題，需要進一步研究。

多孔微針是實心微針的一種特殊類型，其多孔結構通過微型模壓技術制備。多種聚合物材料可以用于制備多孔微針，如光固化甲基丙烯酸酯樹脂、醋酸纖維素或可生物降解的聚乳酸-乙二醇酸（PLGA）。多孔微針通過增強微觀層面上的毛細作用來促進間質液的吸收。多孔微針可以用作電化學葡萄糖監(jiān)測的電極，也可以用于評估不同的皮膚參數(shù)。

空心微針廣泛用于診斷目的，使用毛細作用可以通過微針中心的空心孔提取間質液或血液。這種類型的微針通常由金屬、硅或丙烯酸酯基樹脂制成。空心微針可以提取較大量的間質液，但通常需要幾小時的吸引力來實現(xiàn)較大容積的液體提取。

水凝膠微針是另一種用于診斷和傳感應用的微針類型，它們由交聯(lián)聚合物制成，能夠吸收和保持液體。這些微針在皮膚上應用后，會吸收間質液并在原位形成水凝膠。水凝膠微針可以提取相對較高量的間質液，但某些代謝物可能會與水凝膠基質相互作用，導致需要在進行離體分析之前進行繁瑣的提取過程。

可溶解微針通常是由聚合物制成，例如聚N-乙烯吡咯烷酮和透明質酸，它們在插入皮膚的最上層后會溶解。

圖2 微針在皮膚中的留存和生物流體提取機制示意圖

微針與生物傳感器的結合

接著，論文討論了微針與生物傳感器結合的不同策略和方法，以及不同類型的傳感器在這一領域的應用。主要的傳感器類型包括電子傳感器、電化學傳感器、光學傳感器和拉曼傳感器。

電子傳感器通常與水凝膠型、多孔型和空心型微針結合使用，用于監(jiān)測間質液的成分、皮膚屏障功能或皮膚內不同電解質的平衡。這些器件通常通過逆離子導入的方式，將分析物積聚在植入的電極上，然后在將電極從皮膚中移除后，通過離體沖洗再進行分析或定量。在某些改進的電子生物傳感技術中，可以在皮膚上應用后進行原位分析，實現(xiàn)實時監(jiān)測。電子傳感器的電極通常通過離子傳導界面或充滿導電液體或電解質的原位區(qū)域與其源表連接。這些電子傳感器可以利用皮膚的自然電導率來完成電子電路，確保可靠運行。電化學傳感器通常是利用電極涂層或混合化學成分，通過化學反應引起的電位變化來檢測生物標志物。

光學傳感器測量特定光的強度，可以與空心微針結合使用，通過利用單個微針的中心孔道進行間質液的收集和分析，這稱為光流體學。這些器件可以使用極小體積的樣品液進行準確的分析，因此可以用于治療藥物的監(jiān)測等應用。光學傳感器的應用范圍廣泛，包括基于折射率、熒光、吸收和偏振等檢測機制。

拉曼傳感器是一種可以與微針結合使用的傳感器模式。通過在微針的背襯層上應用表面增強拉曼光譜技術，可以用于皮膚上的葡萄糖檢測，例如，非膨脹型甲基丙烯酸酯微針可以涂覆1-癸硫醇（與葡萄糖結合）和銀納米顆粒（增強拉曼信號）。拉曼傳感器可以用于在皮膚上進行實時的葡萄糖監(jiān)測。此外，還可以使用金納米花作為信號放大器，用于對單個微針尖端的離體分析。這些傳感器利用了拉曼光譜技術的靈敏性和選擇性。

這些不同類型的傳感器結合微針技術可以用于實現(xiàn)生物傳感應用，包括葡萄糖檢測、藥物監(jiān)測以及多重生物標志物的同時分析。這些技術的選擇取決于微針類型、目標分析物和分析的便捷性，而原位分析或離體分析的能力也是整體設備設計的重要組成部分。同時，這些技術的成功應用突顯了微針平臺在生物傳感領域的多功能性。

圖3 微針用于生物傳感的工作原理示意圖

基于微針的生物傳感器在臨床上的應用

該論文還討論了基于微針的生物傳感器的各種臨床應用，強調了它們在以下領域的潛力：

（1）淺層和深層體液感測：基于微針的生物傳感器用于采集和分析淺層和深層體液。例如，它們可以監(jiān)測間質液中的葡萄糖水平，用于糖尿病管理，并可以用比傳統(tǒng)方法更少痛苦和更便捷的方式收集血液樣本。這些器件已在臨床環(huán)境中進行了測試。

（2）癌癥和感染的診斷：基于微針的生物傳感器可以直接插入腫瘤微環(huán)境或感染部位進行診斷。它們可以檢測特定的生物標志物，如用于黑色素瘤檢測的酪氨酸酶、用于皮膚癌診斷的乳酸和用于COVID-19等傳染病的抗體。這些器件具有提供快速和準確診斷能力的潛力。

（3）一次性和實時監(jiān)測：基于微針的生物傳感器用于治療藥物監(jiān)測，允許從皮膚中采集藥物物質和生物標志物。它們具有實時監(jiān)測各種生物標志物的潛力，如葡萄糖、帕金森病生物標志物L-多巴和結腸癌生物標志物一氧化氮。此外，這些傳感器簡化了生物標志物跟蹤方法，并可用于個性化醫(yī)學。

（4）持續(xù)監(jiān)測：對生物標志物和生理功能的持續(xù)和準確監(jiān)測對于有效的疾病治療和管理至關重要?；谖⑨樀纳飩鞲衅饔糜谶B續(xù)監(jiān)測葡萄糖和其他分析物，提供了微創(chuàng)和便捷的方法。它們還可用于監(jiān)測抗生素的使用情況并優(yōu)化藥物劑量。

（5）已開發(fā)的可穿戴原型：已經開發(fā)了各種可穿戴的基于微針的生物傳感器原型，用于多種生物標志物（如葡萄糖、乳酸和酒精）的實時監(jiān)測。這些可穿戴設備可以將數(shù)據(jù)無線傳輸?shù)?a target="_blank">智能手機，為患者提供持續(xù)的與健康相關的反饋。它們具有提高患者獨立性和減少患者與醫(yī)生直接互動需求的潛力。

（6）過量檢測：基于微針的生物傳感器還被用于快速早期檢測物質過量，特別是阿片類藥物和神經毒劑。這些傳感器可以提供超靈敏的阿片類藥物檢測，并有望有助于解決與物質濫用有關的全球衛(wèi)生危機。

圖4 具有基于微針的生物傳感器的先進概念驗證裝置

基于微針的生物傳感器的臨床轉化限制因素

接著，論文討論了基于微針的生物傳感器在實際應用中的轉化限制因素以及與其商業(yè)化相關的問題。

（1）連續(xù)葡萄糖監(jiān)測：介紹了市場上主要以連續(xù)葡萄糖監(jiān)測為主的可穿戴生物傳感器，如Abbott的Freestyle Libre?和Medtronic的Guardian長針葡萄糖傳感器。還提到了一種新型的微針器件原型，結合了中空微針和安培傳感器，用于連續(xù)葡萄糖監(jiān)測，并對其進行了10名糖尿病患者的測試。測試結果顯示，基于微針的生物傳感器在72小時內首次實現(xiàn)了臨床準確的性能，并且患者對該設備的耐受性良好。

（2）分散衛(wèi)生保?。禾岬搅送ㄟ^可穿戴的衛(wèi)生保健設備可以實現(xiàn)遠程患者監(jiān)測，從而減少患者等待時間，吸引了利益相關者和患者的興趣。學術界和工業(yè)界之間存在越來越多的合作，以開發(fā)和商業(yè)化基于微針的生物傳感器。

（3）分析范圍和樣本體積：為了成功商業(yè)化，基于微針的生物傳感器必須能夠快速準確地檢測間質液中的各種分析物，并且必須謹慎考慮間質液中分析物濃度與血液之間的關聯(lián)。雖然微針介導的間質液采樣與吸引或微透析相比，樣本量較少，但使用微針采樣間質液可以避免血液污染和與血液生物標志物水平的校準問題?；谖⑨樀纳飩鞲衅骺梢詸z測約25種不同的分析物，如葡萄糖、多種藥物、膽固醇和各種離子，檢測時間為幾分鐘甚至幾秒鐘。此外，已有五種基于微針的生物傳感器進入了臨床試驗。

（4）能源和數(shù)據(jù)管理：部分基于微針的生物傳感器需要使用泵和/或光學或電子元件，這些元件需要外部能源。這可能導致器件體積變大，并可能增加制造成本，特別是對于一次性器件。此外，需要仔細考慮日志記錄數(shù)據(jù)的管理，包括數(shù)據(jù)的傳輸、保護和存儲。因此，需要開發(fā)簡單而有效的基于微針的生物傳感器。

（5）患者接受度：基于微針的生物傳感器不僅需要滿足相關的應用需求，其采樣方法也必須簡便、具有可行性。因此，需要進行臨床研究以評估其應用的可靠性和效用，以及患者對其的反應。微針應用器的反饋機制也是一個重要考慮因素。

（6）生物負擔：由于微針旨在破壞角質層和皮膚的屏障功能，因此可能增加感染風險。然而，與微針應用相關的感染風險非常低，因為微針插入皮膚后的微生物滲透風險可以忽略不計。此外，皮膚是有免疫能力的器官，含有大量的抗原呈遞細胞，可以在微生物感染皮膚之前應對微生物。基于微針的生物傳感器的無菌性仍然是一個需要關注的話題。

（7）監(jiān)管：目前還沒有針對基于微針的生物傳感器的監(jiān)管指導。然而，美國FDA最近針對化妝品行業(yè)中使用的微針產品提出了監(jiān)管考慮因素。因此，基于微針的生物傳感器可能會受到類似的性能參數(shù)要求。微針的皮膚插入可以使用光學相干斷層掃描來確認。

未來前景與展望

最后，論文討論了微針技術的前景和未來發(fā)展趨勢。

（1）疫苗遞送和臨床試驗：提到了自20世紀90年代以來，對微針系統(tǒng)進行了廣泛的研究，其中重點放在疫苗遞送方面。舉例說明了麻疹和風疹疫苗的微針貼片正在進行臨床試驗，并且在兒童中的第一次臨床試驗的第一和第二階段顯示其有效性與皮下注射相媲美。

（2）藥物遞送：某些公司嘗試將藥物遞送與微針技術相結合，但并沒有提到FDA批準這些產品。盡管如此，全球最大的皮膚貼劑制造商LTS Lohmann在微針技術方面已經取得了顯著的工業(yè)進展，具備了符合良好制造規(guī)范的可擴展生產能力。

（3）生物傳感器和診斷設備：指出學術界已廣泛研究了基于微針的傳感器和診斷設備，但工業(yè)界的研究水平尚未達到同樣的程度。然而，當前對可穿戴生物傳感器的需求非常高，市場估值超過120億美元。

（4）疫情對需求的影響：COVID-19大流行觸發(fā)了對患者居家診斷的需求。因此，居家診斷或患者監(jiān)測設備，特別是與醫(yī)療保健提供者進行無線通信的設備，變得必不可少。

（5）未來挑戰(zhàn)和發(fā)展方向：提到了需要繼續(xù)優(yōu)化設備的功能，減小尺寸和成本，選擇要檢測或定量化的生物標志物或藥物物質。預計微針系統(tǒng)不會很快取代市場領先的可穿戴葡萄糖傳感器，因此可能需要尋找其他目標以獲得重要的市場份額。此外，安全性將需要考慮，特別是如果微針在皮膚上的應用時間達到幾天而不是幾小時。作者指出，在其他公司投入商業(yè)化資金之前，需要看到一家公司成功地將產品推向市場。

（6）技術發(fā)展趨勢：作者認為將基于微針的生物傳感器平臺進一步整合到先進算法、物聯(lián)網(wǎng)工具和臨床決策支持系統(tǒng)中，可以作為初級和專業(yè)衛(wèi)生保健中的微創(chuàng)設備。此外，應進行有關患者和臨床醫(yī)生對微針技術的看法的探索性研究，以突出這項技術的接受程度和需求。

審核編輯：劉清