基于微針的生物傳感器研究進(jìn)展

皮膚作為人體最大的器官，儲(chǔ)存了各種代謝物，可以作為疾病預(yù)后和監(jiān)測(cè)的生物標(biāo)志物。微針（Microneedles，MNs）是一種微小的針頭，以微創(chuàng)的方式應(yīng)用在皮膚上，用于促進(jìn)經(jīng)皮給藥或吸取皮膚中的間質(zhì)液（ISF），其中包含各種可以用作生物標(biāo)志物的代謝物。采集間質(zhì)液后可以進(jìn)行后續(xù)的分析或在現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行實(shí)時(shí)的生物傳感，以用于疾病診斷和藥物監(jiān)測(cè)。微針的這種無(wú)痛和易于使用的特點(diǎn)對(duì)患者具有非常大的吸引力，尤其適用于長(zhǎng)期監(jiān)測(cè)。

近期，貝爾法斯特女王大學(xué)Ryan F. Donnell教授等人，討論了微針在生物傳感領(lǐng)域的應(yīng)用。該論文重點(diǎn)討論了不同類型的微針和用于開(kāi)發(fā)基于微針的生物傳感技術(shù)。此外，該論文還討論了將微針與可穿戴設(shè)備集成以實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，從而改善即時(shí)醫(yī)療檢測(cè)的潛力。最后，該論文回顧了在將這項(xiàng)技術(shù)從實(shí)驗(yàn)室引入臨床應(yīng)用過(guò)程中需要考慮的轉(zhuǎn)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(xué)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(wú)痛地穿透皮膚的最外層，即角質(zhì)層，形成可以用于給藥的毛孔。除了用于給藥，微針還可以開(kāi)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(zhì)液或者血液。此外，微針還可以在皮膚內(nèi)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(guò)簡(jiǎn)單的貼片方式施加在皮膚上，也可以借助手持式施用器進(jìn)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(shè)備中。微針的主要類型包括實(shí)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(shí)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(shí)心微針通常用于兩步采樣過(guò)程的一部分，它們被應(yīng)用于皮膚上，然后在使用額外的采樣技術(shù)（如吸引力或吸收性膜）提取間質(zhì)液之前被移除。然而，實(shí)心微針采樣效率較低，限制了其用于間質(zhì)液采樣的應(yīng)用。

涂層微針是用于診斷目的的實(shí)心微針的改進(jìn)版本，通常由不銹鋼、硅或聚合物（如聚碳酸酯、聚乳酸、聚己內(nèi)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(zhì)。這些微針可以作為電化學(xué)滴定的電極，用于檢測(cè)某些癌癥、腎功能衰竭、周圍動(dòng)脈疾病、藥物和葡萄糖監(jiān)測(cè)等生物標(biāo)志物。然而，某些涂層可能存在生物相容性問(wèn)題，需要進(jìn)一步研究。

多孔微針是實(shí)心微針的一種特殊類型，其多孔結(jié)構(gòu)通過(guò)微型模壓技術(shù)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(shù)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(guò)增強(qiáng)微觀層面上的毛細(xì)作用來(lái)促進(jìn)間質(zhì)液的吸收。多孔微針可以用作電化學(xué)葡萄糖監(jiān)測(cè)的電極，也可以用于評(píng)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(xì)作用可以通過(guò)微針中心的空心孔提取間質(zhì)液或血液。這種類型的微針通常由金屬、硅或丙烯酸酯基樹(shù)脂制成?？招奈⑨樋梢蕴崛≥^大量的間質(zhì)液，但通常需要幾小時(shí)的吸引力來(lái)實(shí)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(yīng)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(yīng)用后，會(huì)吸收間質(zhì)液并在原位形成水凝膠。水凝膠微針可以提取相對(duì)較高量的間質(zhì)液，但某些代謝物可能會(huì)與水凝膠基質(zhì)相互作用，導(dǎo)致需要在進(jìn)行離體分析之前進(jìn)行繁瑣的提取過(guò)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(zhì)酸，它們?cè)诓迦肫つw的最上層后會(huì)溶解。

圖2 微針在皮膚中的留存和生物流體提取機(jī)制示意圖

微針與生物傳感器的結(jié)合

接著，論文討論了微針與生物傳感器結(jié)合的不同策略和方法，以及不同類型的傳感器在這一領(lǐng)域的應(yīng)用。主要的傳感器類型包括電子傳感器、電化學(xué)傳感器、光學(xué)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(jié)合使用，用于監(jiān)測(cè)間質(zhì)液的成分、皮膚屏障功能或皮膚內(nèi)不同電解質(zhì)的平衡。這些器件通常通過(guò)逆離子導(dǎo)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(guò)離體沖洗再進(jìn)行分析或定量。在某些改進(jìn)的電子生物傳感技術(shù)中，可以在皮膚上應(yīng)用后進(jìn)行原位分析，實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。電子傳感器的電極通常通過(guò)離子傳導(dǎo)界面或充滿導(dǎo)電液體或電解質(zhì)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(dǎo)率來(lái)完成電子電路，確?？煽窟\(yùn)行。電化學(xué)傳感器通常是利用電極涂層或混合化學(xué)成分，通過(guò)化學(xué)反應(yīng)引起的電位變化來(lái)檢測(cè)生物標(biāo)志物。

光學(xué)傳感器測(cè)量特定光的強(qiáng)度，可以與空心微針結(jié)合使用，通過(guò)利用單個(gè)微針的中心孔道進(jìn)行間質(zhì)液的收集和分析，這稱為光流體學(xué)。這些器件可以使用極小體積的樣品液進(jìn)行準(zhǔn)確的分析，因此可以用于治療藥物的監(jiān)測(cè)等應(yīng)用。光學(xué)傳感器的應(yīng)用范圍廣泛，包括基于折射率、熒光、吸收和偏振等檢測(cè)機(jī)制。

拉曼傳感器是一種可以與微針結(jié)合使用的傳感器模式。通過(guò)在微針的背襯層上應(yīng)用表面增強(qiáng)拉曼光譜技術(shù)，可以用于皮膚上的葡萄糖檢測(cè)，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(jié)合）和銀納米顆粒（增強(qiáng)拉曼信號(hào)）。拉曼傳感器可以用于在皮膚上進(jìn)行實(shí)時(shí)的葡萄糖監(jiān)測(cè)。此外，還可以使用金納米花作為信號(hào)放大器，用于對(duì)單個(gè)微針尖端的離體分析。這些傳感器利用了拉曼光譜技術(shù)的靈敏性和選擇性。

這些不同類型的傳感器結(jié)合微針技術(shù)可以用于實(shí)現(xiàn)生物傳感應(yīng)用，包括葡萄糖檢測(cè)、藥物監(jiān)測(cè)以及多重生物標(biāo)志物的同時(shí)分析。這些技術(shù)的選擇取決于微針類型、目標(biāo)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(shè)備設(shè)計(jì)的重要組成部分。同時(shí)，這些技術(shù)的成功應(yīng)用突顯了微針平臺(tái)在生物傳感領(lǐng)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(yīng)用

該論文還討論了基于微針的生物傳感器的各種臨床應(yīng)用，強(qiáng)調(diào)了它們?cè)谝韵骂I(lǐng)域的潛力：

（1）淺層和深層體液感測(cè)：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(cè)間質(zhì)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(jìn)行了測(cè)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(jìn)行診斷。它們可以檢測(cè)特定的生物標(biāo)志物，如用于黑色素瘤檢測(cè)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(zhǔn)確診斷能力的潛力。

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

（4）持續(xù)監(jiān)測(cè)：對(duì)生物標(biāo)志物和生理功能的持續(xù)和準(zhǔn)確監(jiān)測(cè)對(duì)于有效的疾病治療和管理至關(guān)重要?；谖⑨樀纳飩鞲衅饔糜谶B續(xù)監(jiān)測(cè)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(cè)抗生素的使用情況并優(yōu)化藥物劑量。

（5）已開(kāi)發(fā)的可穿戴原型：已經(jīng)開(kāi)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(biāo)志物（如葡萄糖、乳酸和酒精）的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。這些可穿戴設(shè)備可以將數(shù)據(jù)無(wú)線傳輸?shù)?a target="_blank">智能手機(jī)，為患者提供持續(xù)的與健康相關(guān)的反饋。它們具有提高患者獨(dú)立性和減少患者與醫(yī)生直接互動(dòng)需求的潛力。

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

圖4 具有基于微針的生物傳感器的先進(jìn)概念驗(yàn)證裝置

基于微針的生物傳感器的臨床轉(zhuǎn)化限制因素

接著，論文討論了基于微針的生物傳感器在實(shí)際應(yīng)用中的轉(zhuǎn)化限制因素以及與其商業(yè)化相關(guān)的問(wèn)題。

（1）連續(xù)葡萄糖監(jiān)測(cè)：介紹了市場(chǎng)上主要以連續(xù)葡萄糖監(jiān)測(cè)為主的可穿戴生物傳感器，如Abbott的Freestyle Libre?和Medtronic的Guardian長(zhǎng)針葡萄糖傳感器。還提到了一種新型的微針器件原型，結(jié)合了中空微針和安培傳感器，用于連續(xù)葡萄糖監(jiān)測(cè)，并對(duì)其進(jìn)行了10名糖尿病患者的測(cè)試。測(cè)試結(jié)果顯示，基于微針的生物傳感器在72小時(shí)內(nèi)首次實(shí)現(xiàn)了臨床準(zhǔn)確的性能，并且患者對(duì)該設(shè)備的耐受性良好。

（2）分散衛(wèi)生保健：提到了通過(guò)可穿戴的衛(wèi)生保健設(shè)備可以實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程患者監(jiān)測(cè)，從而減少患者等待時(shí)間，吸引了利益相關(guān)者和患者的興趣。學(xué)術(shù)界和工業(yè)界之間存在越來(lái)越多的合作，以開(kāi)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(zhǔn)確地檢測(cè)間質(zhì)液中的各種分析物，并且必須謹(jǐn)慎考慮間質(zhì)液中分析物濃度與血液之間的關(guān)聯(lián)。雖然微針介導(dǎo)的間質(zhì)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(zhì)液可以避免血液污染和與血液生物標(biāo)志物水平的校準(zhǔn)問(wèn)題。基于微針的生物傳感器可以檢測(cè)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(cè)時(shí)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(jìn)入了臨床試驗(yàn)。

（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(xué)或電子元件，這些元件需要外部能源。這可能導(dǎo)致器件體積變大，并可能增加制造成本，特別是對(duì)于一次性器件。此外，需要仔細(xì)考慮日志記錄數(shù)據(jù)的管理，包括數(shù)據(jù)的傳輸、保護(hù)和存儲(chǔ)。因此，需要開(kāi)發(fā)簡(jiǎn)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(guān)的應(yīng)用需求，其采樣方法也必須簡(jiǎn)便、具有可行性。因此，需要進(jìn)行臨床研究以評(píng)估其應(yīng)用的可靠性和效用，以及患者對(duì)其的反應(yīng)。微針應(yīng)用器的反饋機(jī)制也是一個(gè)重要考慮因素。

（6）生物負(fù)擔(dān)：由于微針旨在破壞角質(zhì)層和皮膚的屏障功能，因此可能增加感染風(fēng)險(xiǎn)。然而，與微針應(yīng)用相關(guān)的感染風(fēng)險(xiǎn)非常低，因?yàn)槲⑨槻迦肫つw后的微生物滲透風(fēng)險(xiǎn)可以忽略不計(jì)。此外，皮膚是有免疫能力的器官，含有大量的抗原呈遞細(xì)胞，可以在微生物感染皮膚之前應(yīng)對(duì)微生物?；谖⑨樀纳飩鞲衅鞯臒o(wú)菌性仍然是一個(gè)需要關(guān)注的話題。

（7）監(jiān)管：目前還沒(méi)有針對(duì)基于微針的生物傳感器的監(jiān)管指導(dǎo)。然而，美國(guó)FDA最近針對(duì)化妝品行業(yè)中使用的微針產(chǎn)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(huì)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(xué)相干斷層掃描來(lái)確認(rèn)。

未來(lái)前景與展望

最后，論文討論了微針技術(shù)的前景和未來(lái)發(fā)展趨勢(shì)。

（1）疫苗遞送和臨床試驗(yàn)：提到了自20世紀(jì)90年代以來(lái)，對(duì)微針系統(tǒng)進(jìn)行了廣泛的研究，其中重點(diǎn)放在疫苗遞送方面。舉例說(shuō)明了麻疹和風(fēng)疹疫苗的微針貼片正在進(jìn)行臨床試驗(yàn)，并且在兒童中的第一次臨床試驗(yàn)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(shù)相結(jié)合，但并沒(méi)有提到FDA批準(zhǔn)這些產(chǎn)品。盡管如此，全球最大的皮膚貼劑制造商LTS Lohmann在微針技術(shù)方面已經(jīng)取得了顯著的工業(yè)進(jìn)展，具備了符合良好制造規(guī)范的可擴(kuò)展生產(chǎn)能力。

（3）生物傳感器和診斷設(shè)備：指出學(xué)術(shù)界已廣泛研究了基于微針的傳感器和診斷設(shè)備，但工業(yè)界的研究水平尚未達(dá)到同樣的程度。然而，當(dāng)前對(duì)可穿戴生物傳感器的需求非常高，市場(chǎng)估值超過(guò)120億美元。

（4）疫情對(duì)需求的影響：COVID-19大流行觸發(fā)了對(duì)患者居家診斷的需求。因此，居家診斷或患者監(jiān)測(cè)設(shè)備，特別是與醫(yī)療保健提供者進(jìn)行無(wú)線通信的設(shè)備，變得必不可少。

（5）未來(lái)挑戰(zhàn)和發(fā)展方向：提到了需要繼續(xù)優(yōu)化設(shè)備的功能，減小尺寸和成本，選擇要檢測(cè)或定量化的生物標(biāo)志物或藥物物質(zhì)。預(yù)計(jì)微針系統(tǒng)不會(huì)很快取代市場(chǎng)領(lǐng)先的可穿戴葡萄糖傳感器，因此可能需要尋找其他目標(biāo)以獲得重要的市場(chǎng)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(yīng)用時(shí)間達(dá)到幾天而不是幾小時(shí)。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(chǎn)品推向市場(chǎng)。

（6）技術(shù)發(fā)展趨勢(shì)：作者認(rèn)為將基于微針的生物傳感器平臺(tái)進(jìn)一步整合到先進(jìn)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(jí)和專業(yè)衛(wèi)生保健中的微創(chuàng)設(shè)備。此外，應(yīng)進(jìn)行有關(guān)患者和臨床醫(yī)生對(duì)微針技術(shù)的看法的探索性研究，以突出這項(xiàng)技術(shù)的接受程度和需求。

審核編輯：劉清