基于空心微針的等離子體傳感器檢測真皮間質(zhì)液中的生物標(biāo)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(biāo)志物來實現(xiàn)。特別是包圍著體內(nèi)細(xì)胞和組織的間質(zhì)液（ISF），是一種豐富的生物標(biāo)志物來源。由于間質(zhì)液中不含任何顆粒，并且運(yùn)輸?shù)牡鞍踪|(zhì)比血清中運(yùn)輸?shù)牡鞍踪|(zhì)少，因此有利于生物傳感應(yīng)用。此外，與其它體液相比，間質(zhì)液中同時含有系統(tǒng)性生物標(biāo)志物和特異性生物標(biāo)志物。然而，收集間質(zhì)液的困難限制了其在臨床和研究中的應(yīng)用。獲取間質(zhì)液對于促進(jìn)新的生物標(biāo)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(zhì)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(zhì)液來源。通過皮膚提取間質(zhì)液的方法有多種，如植入式毛細(xì)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(qiáng)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(zhì)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(zhì)液，以用于后續(xù)的化學(xué)分析。然而，通過空心微針裝置收集的間質(zhì)液通常需要在額外的獨(dú)立裝置中進(jìn)行分析，從而需要引入額外的間質(zhì)液轉(zhuǎn)移步驟，即將紙基微針貼片在萃取介質(zhì)中進(jìn)行孵育，并通過離心從中提取分析物，而后再用適當(dāng)?shù)姆治龇椒▽μ崛〕龅姆治鑫镞M(jìn)行檢測。總而言之，這些裝置需要將收集到的間質(zhì)液從微針管腔轉(zhuǎn)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(zhì)液，從而進(jìn)一步導(dǎo)致傳感器響應(yīng)的緩慢。

據(jù)麥姆斯咨詢報道，為了克服以上微針技術(shù)的局限性，意大利國家研究委員會應(yīng)用科學(xué)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(luò)結(jié)構(gòu)，從而構(gòu)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(biāo)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(xué)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(yīng)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(fù)雜的電路（因為與皮膚接觸會產(chǎn)生干擾，復(fù)雜電路的需求通常是可穿戴生物傳感器應(yīng)用的瓶頸）。相關(guān)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(fù)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(zhì)液。該技術(shù)避免了對收集的間質(zhì)液進(jìn)行獨(dú)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(xué)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(qiáng)可以導(dǎo)致熒光團(tuán)的強(qiáng)熒光增強(qiáng)。這種現(xiàn)象被稱為金屬增強(qiáng)熒光（MEF）或等離子體增強(qiáng)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(shè)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(fù)合換能器可在雙光學(xué)模式下工作。隨后，為了進(jìn)行概念驗證，研究人員利用生物素-鏈霉親和素的相互結(jié)合作用構(gòu)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(jié)合作用的雙光學(xué)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(zhì)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(jié)果表明，無論是利用無標(biāo)記的LSPR傳感機(jī)制還是基于熒光的傳感機(jī)制，作為靶標(biāo)的生物素，都可以被成功地檢索和光學(xué)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(fèi)力的醫(yī)院或?qū)嶒炇已b置，用于監(jiān)測患者體內(nèi)間質(zhì)液中的生物標(biāo)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(zhì)液體積，可以進(jìn)一步提升小分子的無標(biāo)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(guān)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