基于微針的醫(yī)療保健平臺的開發(fā)指南

可穿戴生物傳感的快速發(fā)展要求下一代設(shè)備能夠連續(xù)、實時、無痛地監(jiān)測健康狀況，并提供響應(yīng)性醫(yī)療。微針在以微創(chuàng)方式直接進(jìn)入皮膚間質(zhì)液(ISF)方面顯示出巨大的潛力?；谖⑨樀难b置的最新研究已經(jīng)從傳統(tǒng)的離線檢測發(fā)展到多路復(fù)用、無線和集成傳感。

近日，來自華東師范大學(xué)的張閩團(tuán)隊聯(lián)合以色列海法理工學(xué)院的HossamHaick團(tuán)隊介紹了微針的分類和制作技術(shù)并總結(jié)了具有代表性的用于透皮監(jiān)測的微針；同時介紹了治療和閉環(huán)系統(tǒng)的最新進(jìn)展，以制定下一代基于微針的醫(yī)療保健平臺的開發(fā)指南（圖1）。

相關(guān)綜述論文以“Wearable Clinic: From Microneedle-Based Sensors to Next-Generation Healthcare Platforms”為題于2023年3月22日發(fā)表在《Small》上。

圖1 微針傳感器的發(fā)展現(xiàn)狀

1. 微針的分類

盡管不同類型的微針(即實心微針、空心微針、涂層微針、溶解微針、水凝膠微針)在藥物輸送應(yīng)用中顯示出巨大的潛力，但是很少有綜述強調(diào)基于其獨特的結(jié)構(gòu)和材料對用于透皮傳感的微針進(jìn)行分類。在這一部分中，作者針對ISF中生物標(biāo)志物檢測的微針根據(jù)其材料、形態(tài)、分析物和應(yīng)用進(jìn)行分類。

2. 微針制造技術(shù)

各種技術(shù)均可用于具有不同形狀、尺寸、形態(tài)特征和密度的不同材料微制造微針。構(gòu)造的主要優(yōu)先事項是確保微針的長度并保持針尖的鋒利度，其可以有效地穿透真皮層而不到達(dá)毛細(xì)血管床和神經(jīng)末梢，還必須考慮材料的特性(例如硅、金屬、聚合物、玻璃和復(fù)合材料)以及大規(guī)模生產(chǎn)的成本和能力。在此部分，作者總結(jié)了一些最常用的制造技術(shù)，旨在生產(chǎn)用于透皮傳感的微針陣列。

3. 微針傳感模式

鑒于ISF中存在豐富的生理和臨床信息，能夠直接訪問ISF的基于微針的傳感器在診斷和保健領(lǐng)域獲得了極大的關(guān)注。微針采樣、測量和分析來自皮膚ISF的生物特征信息的方式基于它們的傳感機(jī)制主要包括三類。

在此部分作者結(jié)合相關(guān)案例詳細(xì)介紹了離線傳感（圖2）、光學(xué)傳感（圖3）和電化學(xué)傳感（表1）三種感應(yīng)模式。其中，作者重點討論了電化學(xué)檢測多種分析物的方法以及最近在多模態(tài)傳感方面取得的進(jìn)展。

圖2 使用微針輔助傳感器進(jìn)行離線傳感的代表性示例

圖3使用基于微針的生物傳感器進(jìn)行光學(xué)傳感的代表性示例

傳感電極避免了復(fù)雜的微流體設(shè)計、伴隨生物流體的提取，以及為連續(xù)、實時監(jiān)測廣泛的生物標(biāo)志物而集成的陣列。這種策略通常用不同的（生物）識別元素覆蓋微針尖端，或制造具有選擇性分析物-受體相互作用的針狀電極，用于 ISF 中的直接透皮測量。作者在表1總結(jié)了針對具有生理意義的分析物的基于微針的電化學(xué)傳感器的這些有吸引力的應(yīng)用。

表1用于電化學(xué)傳感的基于微針的傳感器

4. 下一代基于微針的醫(yī)療保健平臺

對準(zhǔn)確、精確和個性化醫(yī)療策略的需求需要強大的下一代醫(yī)療保健平臺?？紤]到過去幾年基于微針的可穿戴傳感器取得的巨大進(jìn)步，了解微針技術(shù)的最新發(fā)展將有助于彌合概念驗證與現(xiàn)實生活應(yīng)用之間的差距。下一代基于微針的醫(yī)療保健平臺不僅可以實時、持續(xù)地監(jiān)測生理狀況，還需要一個能夠快速處理、無線傳輸和智能響應(yīng)電化學(xué)信號的智能診療系統(tǒng)。為此，該領(lǐng)域的最后一個里程碑是生產(chǎn)具有以下特征的假設(shè)設(shè)備：1）閉環(huán)傳感和治療；2）全集成化、微型化、智能化傳感；3)多功能診療平臺。因此，作者在此部分結(jié)合代表性案例重點討論了基于微針的設(shè)備的最新研究。

（1）基于閉環(huán)微針的保健平臺

當(dāng)前的可穿戴生物電子主要集中于檢測具有個性化信息的及時、高保真的病理信號。特別地，基于微針的傳感器使得這種檢測最小程度地?zé)o痛、實時和連續(xù)。然而，檢測和診斷只是實際應(yīng)用的一部分，完成傳感和治療循環(huán)的反饋控制治療系統(tǒng)可以顯著提高當(dāng)前醫(yī)療程序的質(zhì)量（圖4）。

圖4基于MN的閉環(huán)醫(yī)療保健平臺示例

（2）基于微針的系統(tǒng)集成醫(yī)療保健平臺

微制造技術(shù)賦予微針小型化的特性，允許應(yīng)用于身體的任意位置。然而，迫切需要解決的下一代透皮傳感設(shè)備的基本要素是系統(tǒng)集成，這極大地限制了實用的可穿戴屬性和微針在診斷和治療方面的全部潛力。一個完全集成的系統(tǒng)由生物電子學(xué)、電源、信號采集、處理和傳輸以及相關(guān)的治療模塊組成（圖5）。在未來，包括數(shù)據(jù)可視化、無線通信、物聯(lián)網(wǎng)(IoT)、大數(shù)據(jù)管理和機(jī)器學(xué)習(xí)在內(nèi)的技術(shù)對于將集中式實驗室測試轉(zhuǎn)變?yōu)榭纱┐鳌⒁惑w化和定制的微針醫(yī)療保健平臺至關(guān)重要。

圖5基于MN的系統(tǒng)集成醫(yī)療平臺示例

（3）基于微針的醫(yī)療保健平臺

得益于微米級尺寸、最小侵入性和無痛性的固有優(yōu)勢，微針被廣泛報道用于輸送治療化合物。微針在傷口愈合和監(jiān)測的生物醫(yī)學(xué)應(yīng)用也被廣泛討論。具有治療功能的微針設(shè)備的巨大潛力將能夠滿足一體化治療診斷系統(tǒng)的許多需求，這可以彌合可穿戴傳感生物電子學(xué)和下一代醫(yī)療保健平臺之間的差距（圖6）。

圖6基于MN的醫(yī)療保健平臺示例

5. 結(jié)論和展望

本文總結(jié)了微針傳感器的分類和制備技術(shù)，并詳細(xì)介紹了微針傳感器的三種感應(yīng)模式，包括離線傳感、光學(xué)傳感和電化學(xué)傳感。作者強調(diào)了電化學(xué)檢測多種分析物的方法以及最近在多模態(tài)傳感方面取得的進(jìn)展。此外，還介紹了最新的微針原型，包括閉環(huán)策略、系統(tǒng)集成和潛在的治療診斷應(yīng)用。

同時，作者指出微針傳感器在醫(yī)療保健領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景。未來的研究方向包括開發(fā)更加靈敏和選擇性的傳感器、實現(xiàn)更高效的數(shù)據(jù)處理和分析、提高系統(tǒng)集成度和可穿戴性、探索新的治療診斷應(yīng)用等。同時，也面臨著一些挑戰(zhàn)，例如如何解決微針傳感器與皮膚之間的適配性問題、如何提高微針傳感器的穩(wěn)定性和可重復(fù)性等。總之，微針傳感器是一個快速發(fā)展的領(lǐng)域，未來將會有更多創(chuàng)新和突破。

審核編輯：劉清