基于空心微針的等離子體傳感器檢測真皮間質液中的生物標志物

疾病的診斷和監(jiān)測常常通過檢測血液、尿液、唾液和其它體液中的生物標志物來實現(xiàn)。特別是包圍著體內(nèi)細胞和組織的間質液（ISF），是一種豐富的生物標志物來源。由于間質液中不含任何顆粒，并且運輸?shù)牡鞍踪|比血清中運輸?shù)牡鞍踪|少，因此有利于生物傳感應用。此外，與其它體液相比，間質液中同時含有系統(tǒng)性生物標志物和特異性生物標志物。然而，收集間質液的困難限制了其在臨床和研究中的應用。獲取間質液對于促進新的生物標志物的發(fā)現(xiàn)、更有效的醫(yī)療保健以及對不同疾病的早期診斷和監(jiān)測非常重要。就速度和安全性方面而言，通過皮膚來收集間質液是最佳方式。由于皮膚是最容易接觸的器官，因而是一個有效的間質液來源。通過皮膚提取間質液的方法有多種，如植入式毛細管法、微移液管插入法和水泡法等。目前，這些方法正逐漸被微針（MNs）的使用所取代。微針具有更強的以微創(chuàng)方式獲取生物信息的能力，并且具有無痛、耐受性好、易于使用和有效的優(yōu)勢。

微針是一種具有微米級特征尺寸的裝置，能夠物理破壞角質層（SC），即皮膚的外層。微針的長度為數(shù)百微米，尖端鋒利，通常以陣列形式組裝在貼片上，并且，組裝后的微針貼片可以輕松貼在皮膚上。不同類型的微針，如實心微針、溶脹微針和空心微針都可以用作傳感器。其中，空心微針（HMNs）具有內(nèi)置腔體，可以作為有效的生物流體收集器，在真皮層和皮膚外層之間的界面上創(chuàng)建透皮流體路徑。此外，空心微針通常與吸液紙集成，集成后的裝置能夠收集間質液，以用于后續(xù)的化學分析。然而，通過空心微針裝置收集的間質液通常需要在額外的獨立裝置中進行分析，從而需要引入額外的間質液轉移步驟，即將紙基微針貼片在萃取介質中進行孵育，并通過離心從中提取分析物，而后再用適當?shù)姆治龇椒▽μ崛〕龅姆治鑫镞M行檢測?？偠灾@些裝置需要將收集到的間質液從微針管腔轉移到分析物檢測器。這通常使得微針裝置只能以較長的時間提取少量可使用的間質液，從而進一步導致傳感器響應的緩慢。

據(jù)麥姆斯咨詢報道，為了克服以上微針技術的局限性，意大利國家研究委員會應用科學和智能系統(tǒng)研究所（ISASI）的研究人員提出了一種空心微針貼片裝置，該裝置的微針空腔中填充了含有金納米顆粒（AuNPs）的高度溶脹聚乙二醇二丙烯酸酯（PEGDA）3D網(wǎng)絡結構，從而構建了一種等離子體傳感器。該微針裝置可以直接檢測提取的生物標志物，無需任何額外的步驟。該基于高分子量（Mw）PEGDA和球形金納米顆粒的3D光學傳感器集成了以下幾個優(yōu)點，例如，在空心微針腔內(nèi)具有良好的適應性和靈活性，更高的表面積以及表面積體積比，并且不需要復雜的電路（因為與皮膚接觸會產(chǎn)生干擾，復雜電路的需求通常是可穿戴生物傳感器應用的瓶頸）。相關研究成果以“Hollow Microneedle-based Plasmonic Sensor for on Patch Detection of Molecules in Dermal Interstitial Fluid”為題發(fā)表于Advanced Materials期刊。

等離子體納米復合材料在空心微針陣列腔內(nèi)的集成

該空心微針貼片通過光刻方法制造，并利用了PEGDA在低分子量下的光交聯(lián)特性。PEGDA是一種具有生物相容性的無毒聚合物。將金納米顆粒包裹在高分子量PEGDA中，然后插入到空心微針腔中。隨后，利用高分子量PEGDA的高溶脹特性提取間質液。該技術避免了對收集的間質液進行獨立分析，并允許直接從微針裝置檢測感興趣的靶分子。

空心微針陣列的制備與表征

此外，該微針傳感裝置利用金納米顆粒作為光學換能器，該換能器的原理是基于局部表面等離子體共振（LSPR）現(xiàn)象，該現(xiàn)象是由特定激發(fā)波長下納米顆粒表面電子密度的振蕩引起的。與此同時，如果滿足合適的條件，金納米顆粒周圍的電磁場增強可以導致熒光團的強熒光增強。這種現(xiàn)象被稱為金屬增強熒光（MEF）或等離子體增強熒光，通常用于將等離子體生物傳感器的檢測極限（LOD）提高到單分子水平。因此，設計并制作的基于高分子量PEGDA和球形金納米顆粒的等離子體納米復合換能器可在雙光學模式下工作。隨后，為了進行概念驗證，研究人員利用生物素-鏈霉親和素的相互結合作用構建靶/受體耦聯(lián)系統(tǒng)，在溶液中測試了集成等離子體空心微針裝置的傳感性能。

等離子體空心微針陣列對生物素-鏈霉親和素相互結合作用的雙光學模式傳感

最后，研究人員通過使用由封口膜和瓊脂（分別用于模擬角質層和真皮層）制成的皮膚模型，測試了所提出的裝置從皮膚中收集和捕獲生物素靶分子的能力。測試結果表明，無論是利用無標記的LSPR傳感機制還是基于熒光的傳感機制，作為靶標的生物素，都可以被成功地檢索和光學檢測，從而證明了本文所提出平臺的功能有效性。

從皮膚模型中提取和檢測生物素的概念驗證工作

綜上所述，該研究開發(fā)的等離子體空心微針可以作為開發(fā)一種簡單、低成本、可大規(guī)模推廣和通用的使用點（point-of-use，PoU）檢測裝置工作的起點，可以替代傳統(tǒng)的、昂貴的、費力的醫(yī)院或實驗室裝置，用于監(jiān)測患者體內(nèi)間質液中的生物標志物。此外，通過利用不同形狀的納米顆粒（例如納米棱柱、納米三角形和/或納米星形）以及其尖端形狀現(xiàn)象，或者通過增加換能器體積從而增加收集的間質液體積，可以進一步提升小分子的無標記檢測性能。由于人口老齡化以及專業(yè)人員和醫(yī)院床位的缺乏，這些PoU檢測裝置正受到越來越多的關注。因此，對PoU裝置的需求變得越來越迫切，所提出的方法可以為滿足這一需求鋪平道路。

審核編輯：劉清