半侵入式"可穿戴診所"——微針技術(shù)的創(chuàng)新應(yīng)用

長(zhǎng)度在10至1000微米范圍內(nèi)的微針（MN）表現(xiàn)出有效穿透角質(zhì)層的能力，使其能夠進(jìn)入間質(zhì)液進(jìn)行采樣或原位檢測(cè)。與此同時(shí)，微針穿透皮膚所創(chuàng)建的微通道可以作為多種藥物經(jīng)皮遞送的通道。與傳統(tǒng)的血液采樣和經(jīng)皮藥物注射方法相比，微針具有無(wú)痛、微創(chuàng)、操作簡(jiǎn)單和更高的安全性等優(yōu)點(diǎn)。如圖1所示，微針器件用于經(jīng)皮藥物遞送的演變始于1976年的首次專利授權(quán)。隨后，這些器件在生理信號(hào)監(jiān)測(cè)、藥物遞送和生物標(biāo)志物檢測(cè)等領(lǐng)域取得了迅速進(jìn)展。在最初階段，微針主要用于經(jīng)皮藥物遞送領(lǐng)域，通過(guò)微針創(chuàng)建的微通道或?qū)⑺幬镏苯蛹虞d到微針中進(jìn)行藥物給藥。隨著微細(xì)加工技術(shù)和智能材料的進(jìn)步，微針?biāo)幬镞f送技術(shù)逐漸向具有增強(qiáng)可控性和智能性的方向發(fā)展。這使得通過(guò)加熱、照明、電場(chǎng)甚至調(diào)節(jié)局部組織環(huán)境等機(jī)制實(shí)現(xiàn)藥物的定量和精確釋放成為可能。隨后，由于微針尖端具有穿透角質(zhì)層并建立低阻抗接觸的能力，微針被用于從間質(zhì)液中收集生理信號(hào)。此外，對(duì)間質(zhì)液的增進(jìn)了解促使研究人員利用微針器件收集、分析和原位檢測(cè)間質(zhì)液中的生物標(biāo)志物。這已成功檢測(cè)和分析了各種生物標(biāo)志物，包括葡萄糖、炎癥因子、離子、核酸分子、腫瘤標(biāo)志物等。

圖1 微針器件的主要成果和發(fā)展 近期，來(lái)自鄭州大學(xué)的研究人員概述了微針診斷和治療器件在生物標(biāo)志物檢測(cè)、藥物遞送和集成智能診斷治療平臺(tái)領(lǐng)域的最新進(jìn)展（圖2）。首先，本綜述介紹了微針器件常用的材料，并描述了各種微針制備方法，主要集中在溶劑鑄造、3D打印和磁/電輔助3D打印過(guò)程。隨后，從檢測(cè)機(jī)制的角度，介紹了基于熒光、拉曼和電化學(xué)的微針經(jīng)皮診斷方法。此外，本文介紹了基于微針的經(jīng)皮藥物遞送策略的三種不同控制方法，包括降解、光熱和電控制機(jī)制。此外，還回顧了各種通過(guò)微針實(shí)現(xiàn)的體內(nèi)藥物遞送系統(tǒng)，揭示了微針在醫(yī)學(xué)領(lǐng)域中應(yīng)用場(chǎng)景的不斷擴(kuò)大。最后，本綜述描述了由微針實(shí)現(xiàn)的智能診斷和治療系統(tǒng)的最新進(jìn)展，對(duì)微針器件的未來(lái)發(fā)展趨勢(shì)進(jìn)行了分析和預(yù)測(cè)。相關(guān)工作以“Semi-invasive wearable clinic: Solution-processed smartmicroneedle electronics for next-generation integrated diagnosis and treatment”為題發(fā)表在國(guó)際知名期刊Biosensors and Bioelectronics上。

圖2微針器件的應(yīng)用和集成

溶劑鑄造微模壓制工藝

溶劑鑄造微模壓制工藝廣泛應(yīng)用于材料成型過(guò)程中，用于制造復(fù)雜的幾何形狀和內(nèi)部結(jié)構(gòu)，并在微針陣列的制造中越來(lái)越受歡迎。為了制作微針陣列，通常需要首先通過(guò)激光切割或金屬陽(yáng)模制作凹模。此外，聚二甲基硅氧烷（PDMS）被用于制作凹模，它是一種具有穩(wěn)定化學(xué)性質(zhì)、低粘附性和良好轉(zhuǎn)錄能力的疏水材料，有利于材料脫模。因此，微針陣列可以在由后續(xù)添加功能性溶液構(gòu)建的更復(fù)雜結(jié)構(gòu)的PDMS模具中干燥或聚合固化。例如，Muamer等人通過(guò)將光固化聚合物材料倒入預(yù)制的PDMS模具中，并在紫外（UV）照射8分鐘后制造了微針陣列（圖3a）。隨后，基于高密度微針陣列的傳感貼片被制備用于監(jiān)測(cè)間質(zhì)液中的pH值，可以敏感且準(zhǔn)確地檢測(cè)4.0-8.6范圍內(nèi)的pH值。

圖3通過(guò)溶劑澆鑄微模具制備微針

3D打印

3D打印技術(shù)是一種逐層構(gòu)建物體的增材制造技術(shù)，通過(guò)將數(shù)字模型切片成薄層，逐層堆疊打印材料，最終構(gòu)建立體物體。常見(jiàn)的3D打印技術(shù)包括熔融沉積建模（FDM）、光固化造型（SLA）、數(shù)字光處理（DLP）和選擇性激光燒結(jié)（SLS）（圖4a）。FDM使用熱塑性材料，例如聚乳酸（PLA）或丙烯腈丁二烯苯乙烯（ABS）塑料，通過(guò)選擇性地在預(yù)定路徑上堆積熔化的材料，由于其成本低廉和操作簡(jiǎn)便，已得到廣泛發(fā)展。Luzuriaga等人采用可再生和可降解的熱塑性PLA材料通過(guò)FDM打印制造微針。為了克服FDM 3D打印的低分辨率，他們開(kāi)發(fā)了一種事后化學(xué)蝕刻工藝來(lái)提高打印組件的尺寸。結(jié)果顯示，微針的尖端尺寸改善到了小至1微米（圖4b）。Tang等人研究了各種3D打印參數(shù)對(duì)PLA微針的經(jīng)皮遞送系統(tǒng)的影響，包括打印溫度、層厚、擠出寬度、填充寬度和噴嘴孔徑（圖4c）。結(jié)果表明，噴嘴孔之間的間距越小，毫米級(jí)投影越多，表面光潔度越好，但對(duì)準(zhǔn)確性影響不大。

圖4通過(guò)3D打印制造微針

磁輔助成型技術(shù)

通過(guò)溶液澆鑄，可以快速高效地生產(chǎn)微針。然而，具有獨(dú)特結(jié)構(gòu)的微針，例如蘑菇和倒鉤形狀，在脫模過(guò)程中會(huì)帶來(lái)挑戰(zhàn)。為了生成具有挑戰(zhàn)性的獨(dú)特微針結(jié)構(gòu)，將鐵磁顆粒納入以創(chuàng)建磁性流體，這樣可以構(gòu)建專門的微針結(jié)構(gòu)。Chen等提出了一種新的磁化誘導(dǎo)自組裝方法用于制造微針陣列。該過(guò)程涉及使用環(huán)氧酚醛清漆樹(shù)脂、固化劑（改性脂肪族胺）和鐵粉作為磁性流體，如圖5a所示。在磁化場(chǎng)的作用下，磁性流體從模具的微孔中擠出，形成微針陣列。基于上述工作，Chen等人探索了一種新的MRDL方法，有效地制造微針。該方法可以直接從幾乎所有基底上拉出CMRF液滴，并在外部磁場(chǎng)下形成三維微針（圖5b）。該方法繼承了熱拉伸的優(yōu)勢(shì)，無(wú)需模具和照明，也無(wú)需控制和調(diào)整拉伸溫度。通過(guò)調(diào)整可固化液、固化劑和磁性顆粒的比例制備CMRF。將直徑為0.7毫米的銅針浸入CMRF液滴中，并在基底表面上拉動(dòng)。然后，在外部磁場(chǎng)和熱風(fēng)的輔助下制造微針。將上述方法制造的產(chǎn)品固定為母微針?biāo)椒胖?，使用浸入CMRF液滴的拉伸柱向母微針表面移動(dòng)并輕微壓縮。隨后，拉伸柱向后移動(dòng)，在外部磁場(chǎng)的作用下在母微針表面形成液體微倒鉤。連續(xù)旋轉(zhuǎn)母微針的角度并重復(fù)上述形成過(guò)程，最終在表面產(chǎn)生了具有微結(jié)構(gòu)倒鉤的微針（圖5c）。

圖5在磁場(chǎng)的輔助下制造微針

智能微針的熒光檢測(cè)

熒光檢測(cè)是一種常用的生物分析技術(shù)，具有高靈敏度、廣泛適用性和定量性的優(yōu)點(diǎn)。利用熒光檢測(cè)的MN生物傳感器利用微針穿透皮膚并進(jìn)入間質(zhì)液。表面修飾的生物分子識(shí)別層，如抗體、蛋白質(zhì)、核酸或化學(xué)配體，被用來(lái)選擇性地識(shí)別和結(jié)合目標(biāo)生物分子。這種相互作用改變了熒光探針的環(huán)境或誘導(dǎo)光學(xué)信號(hào)轉(zhuǎn)換，從而導(dǎo)致熒光發(fā)射的強(qiáng)度、波長(zhǎng)或壽命的變化。最終產(chǎn)生的信號(hào)被熒光儀器捕獲并進(jìn)行分析。

圖6 基于熒光的微針檢測(cè)

智能微針的拉曼檢測(cè)

基于拉曼檢測(cè)的微針生物傳感器提供了一種獨(dú)特的方法，通過(guò)結(jié)合先進(jìn)的拉曼光譜技術(shù)和微針遞送系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)確且非侵入性的生物分析。微針可以輕松穿透皮膚的角質(zhì)層并直接到達(dá)皮膚組織液，而表面組裝的生物分子識(shí)別層（如抗體、核酸等）可以特異性地識(shí)別并與目標(biāo)生物分子結(jié)合。此時(shí)，通過(guò)移除微針并使用拉曼光譜技術(shù)，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)皮膚間質(zhì)液中目標(biāo)生物分子的檢測(cè)。當(dāng)拉曼激光照射在微針表面時(shí)，會(huì)激發(fā)特定頻率的光散射。這種散射光在通過(guò)生物分子識(shí)別層與目標(biāo)分子結(jié)合后，其特性會(huì)發(fā)生變化，包括拉曼光譜的位移和強(qiáng)度變化，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)目標(biāo)生物分子的定性和定量分析。

圖7基于拉曼光譜的微針檢測(cè)

智能微針的電化學(xué)檢測(cè)

電化學(xué)生物傳感器因其高靈敏度、高特異性、實(shí)時(shí)檢測(cè)和便攜性，已在生物醫(yī)學(xué)、環(huán)境監(jiān)測(cè)和食品安全領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。電化學(xué)生物傳感器是一種將生物分子的識(shí)別與檢測(cè)以及電化學(xué)信號(hào)轉(zhuǎn)換整合在一起的裝置，用于檢測(cè)和分析生物樣本中分子或生物體的存在和活性。這些傳感器通常由三個(gè)主要組成部分：生物分子識(shí)別層、換能層和檢測(cè)層。生物分子識(shí)別層是一層能夠與目標(biāo)生物分子高特異性和選擇性地相互作用并引發(fā)一系列化學(xué)反應(yīng)的生物分子，如抗體、酶或DNA。換能層是將生物分子的識(shí)別和結(jié)合反應(yīng)轉(zhuǎn)化為可觀測(cè)的電化學(xué)信號(hào)的一層。通常，這一層包括電極，通過(guò)電子轉(zhuǎn)移過(guò)程將生物分子的識(shí)別和結(jié)合事件轉(zhuǎn)化為電流或電壓的變化。檢測(cè)層用于監(jiān)測(cè)和記錄電化學(xué)信號(hào)的變化，可以將變化的電信號(hào)轉(zhuǎn)換為可視化數(shù)據(jù)或定量結(jié)果?；陔娀瘜W(xué)檢測(cè)的微針生物傳感器利用微針技術(shù)輕松穿透皮膚的角質(zhì)層并到達(dá)皮膚的間質(zhì)液。修飾在微針表面上的生物識(shí)別層可以特異性地識(shí)別并與目標(biāo)生物分子結(jié)合。結(jié)合發(fā)生后，生物化學(xué)特性發(fā)生變化，進(jìn)而影響電流、電位或電荷的傳輸。這種變化可以通過(guò)傳感器系統(tǒng)中的電化學(xué)工作站檢測(cè)并轉(zhuǎn)換為定量信號(hào)。

圖8基于電化學(xué)檢測(cè)的微針傳感器

基于智能微針的藥物遞送

作為一種微創(chuàng)工具，微針能夠穿透角質(zhì)層形成微通道。這個(gè)過(guò)程增加了皮膚的滲透性，使大分子藥物能夠進(jìn)入全身循環(huán)，從而便于有效地吸收藥物，實(shí)現(xiàn)更方便、準(zhǔn)確和舒適的治療效果。與常用的口服和注射給藥方法相比，微針給藥具有避免口服藥物在消化系統(tǒng)中部分代謝和注射不適的優(yōu)勢(shì)。因此，微針給藥引起了越來(lái)越多的關(guān)注，并在疾病治療方面取得了重要的里程碑。微針給藥的釋放形式逐漸多樣化，包括降解控制釋放、光熱控制釋放、電控制釋放等。本文主要總結(jié)了近三年來(lái)微針給藥的發(fā)展和代表性應(yīng)用。

圖9降解觸發(fā)藥物釋放的藥物遞送微針器件

圖10 光熱釋放觸發(fā)的藥物遞送微針器件

圖11 電觸發(fā)的藥物遞送微針器件

智能微針的診斷與治療一體化

可穿戴醫(yī)療設(shè)備作為現(xiàn)代醫(yī)療技術(shù)的重要組成部分，隨著社會(huì)發(fā)展和對(duì)個(gè)性化醫(yī)療保健需求的不斷增長(zhǎng)，已經(jīng)取得了顯著進(jìn)步。可穿戴醫(yī)療設(shè)備正不斷發(fā)展，趨向遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)和遠(yuǎn)程醫(yī)療、數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)的健康管理、多功能集成設(shè)計(jì)以及外觀和舒適度的改善。微針的獨(dú)特結(jié)構(gòu)使它們能夠穿透角質(zhì)層屏障，到達(dá)ISF以監(jiān)測(cè)和分析目標(biāo)濃度。同時(shí)，分析結(jié)果可以決定是否釋放藥物載體進(jìn)行治療。因此，將微針器件開(kāi)發(fā)為診斷和治療一體化平臺(tái)具有巨大潛力。雖然已經(jīng)開(kāi)發(fā)出具有環(huán)境感知能力的智能微針，但它們?nèi)匀痪窒抻谀承l件，難以提供準(zhǔn)確的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)。隨著使用微針器件進(jìn)行傳感診斷和藥物遞送的技術(shù)日益成熟，器件的集成化也進(jìn)一步增強(qiáng)。與此同時(shí)，具有傳感和藥物遞送功能的集成微針平臺(tái)技術(shù)也在快速發(fā)展。Zhang等人報(bào)道了一種含有葡萄糖響應(yīng)性囊泡（GRVs）的葡萄糖響應(yīng)性胰島素遞送微針陣列貼片，這些囊泡裝載有胰島素和葡萄糖氧化酶（圖12a）。在高血糖情況下，葡萄糖的酶促氧化導(dǎo)致GRV親水性的局部缺氧微環(huán)境變化，從而導(dǎo)致囊泡解離和胰島素釋放，從而調(diào)節(jié)血糖水平。此外，通過(guò)使用環(huán)境響應(yīng)材料，如含有Exindin-4和葡萄糖氧化酶（GOx）的介孔二氧化硅納米顆?；蛏锏V化顆粒，提出了閉環(huán)控制的微針給藥。

圖12 集成診斷和治療功能的智能微針器件

在醫(yī)療保健行業(yè)中，對(duì)可穿戴健康設(shè)備的需求正在迅速增長(zhǎng)，而由于微針器件具有無(wú)痛穿透角質(zhì)層的能力、易于藥物加載、實(shí)時(shí)原位監(jiān)測(cè)和良好的生物相容性，因此它們已成為引人注目的可穿戴設(shè)備。研究人員不斷優(yōu)化和改進(jìn)微針器件的檢測(cè)靈敏度和劑量智能性。本文介紹了微針的制備技術(shù)及其精細(xì)結(jié)構(gòu)，并總結(jié)了基于微針的三種經(jīng)皮感測(cè)方法，包括熒光、拉曼和電化學(xué)方法，以及基于微針的四種藥物遞送策略，包括降解釋放、光熱釋放、電釋放和體內(nèi)釋放。此外，本文還更新和總結(jié)了微針器件與全面診斷和治療平臺(tái)集成的最新進(jìn)展。在精準(zhǔn)醫(yī)學(xué)和醫(yī)療應(yīng)用領(lǐng)域，對(duì)智能可穿戴設(shè)備的需求正在迅速增長(zhǎng)。近年來(lái)，具有全面診斷和治療功能的智能微針在實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)和原位治療方面受到了廣泛關(guān)注。