基于微针的医疗保健平台的开发指南

可穿戴生物传感的快速发展要求下一代设备能够连续、实时、无痛地监测健康状况，并提供响应性医疗。微针在以微创方式直接进入皮肤间质液(ISF)方面显示出巨大的潜力。基于微针的装置的最新研究已经从传统的离线检测发展到多路复用、无线和集成传感。

近日，来自华东师范大学的张闽团队联合以色列海法理工学院的Hossam Haick团队介绍了微针的分类和制作技术并总结了具有代表性的用于透皮监测的微针；同时介绍了治疗和闭环系统的最新进展，以制定下一代基于微针的医疗保健平台的开发指南（图1）。

相关综述论文以“Wearable Clinic: From Microneedle-Based Sensors to Next-Generation Healthcare Platforms”为题于2023年3月22日发表在《Small》上。

图1 微针传感器的发展现状

1. 微针的分类

尽管不同类型的微针(即实心微针、空心微针、涂层微针、溶解微针、水凝胶微针)在药物输送应用中显示出巨大的潜力，但是很少有综述强调基于其独特的结构和材料对用于透皮传感的微针进行分类。在这一部分中，作者针对ISF中生物标志物检测的微针根据其材料、形态、分析物和应用进行分类。

2. 微针制造技术

各种技术均可用于具有不同形状、尺寸、形态特征和密度的不同材料微制造微针。构造的主要优先事项是确保微针的长度并保持针尖的锋利度，其可以有效地穿透真皮层而不到达毛细血管床和神经末梢，还必须考虑材料的特性(例如硅、金属、聚合物、玻璃和复合材料)以及大规模生产的成本和能力。在此部分，作者总结了一些最常用的制造技术，旨在生产用于透皮传感的微针阵列。

3. 微针传感模式

鉴于ISF中存在丰富的生理和临床信息，能够直接访问ISF的基于微针的传感器在诊断和保健领域获得了极大的关注。微针采样、测量和分析来自皮肤ISF的生物特征信息的方式基于它们的传感机制主要包括三类。

在此部分作者结合相关案例详细介绍了离线传感（图2）、光学传感（图3）和电化学传感（表1）三种感应模式。其中，作者重点讨论了电化学检测多种分析物的方法以及最近在多模态传感方面取得的进展。

图2 使用微针辅助传感器进行离线传感的代表性示例

图3 使用基于微针的生物传感器进行光学传感的代表性示例

传感电极避免了复杂的微流体设计、伴随生物流体的提取，以及为连续、实时监测广泛的生物标志物而集成的阵列。这种策略通常用不同的（生物）识别元素覆盖微针尖端，或制造具有选择性分析物-受体相互作用的针状电极，用于 ISF 中的直接透皮测量。作者在表1总结了针对具有生理意义的分析物的基于微针的电化学传感器的这些有吸引力的应用。

表1 用于电化学传感的基于微针的传感器

4. 下一代基于微针的医疗保健平台

对准确、精确和个性化医疗策略的需求需要强大的下一代医疗保健平台。考虑到过去几年基于微针的可穿戴传感器取得的巨大进步，了解微针技术的最新发展将有助于弥合概念验证与现实生活应用之间的差距。下一代基于微针的医疗保健平台不仅可以实时、持续地监测生理状况，还需要一个能够快速处理、无线传输和智能响应电化学信号的智能诊疗系统。为此，该领域的最后一个里程碑是生产具有以下特征的假设设备：1）闭环传感和治疗；2）全集成化、微型化、智能化传感；3)多功能诊疗平台。因此，作者在此部分结合代表性案例重点讨论了基于微针的设备的最新研究。

（1）基于闭环微针的保健平台

当前的可穿戴生物电子主要集中于检测具有个性化信息的及时、高保真的病理信号。特别地，基于微针的传感器使得这种检测最小程度地无痛、实时和连续。然而，检测和诊断只是实际应用的一部分，完成传感和治疗循环的反馈控制治疗系统可以显著提高当前医疗程序的质量（图4）。

图4 基于MN的闭环医疗保健平台示例

（2）基于微针的系统集成医疗保健平台

微制造技术赋予微针小型化的特性，允许应用于身体的任意位置。然而，迫切需要解决的下一代透皮传感设备的基本要素是系统集成，这极大地限制了实用的可穿戴属性和微针在诊断和治疗方面的全部潜力。一个完全集成的系统由生物电子学、电源、信号采集、处理和传输以及相关的治疗模块组成（图5）。在未来，包括数据可视化、无线通信、物联网(IoT)、大数据管理和机器学习在内的技术对于将集中式实验室测试转变为可穿戴、一体化和定制的微针医疗保健平台至关重要。

图5 基于MN的系统集成医疗平台示例

（3）基于微针的医疗保健平台

得益于微米级尺寸、最小侵入性和无痛性的固有优势，微针被广泛报道用于输送治疗化合物。微针在伤口愈合和监测的生物医学应用也被广泛讨论。具有治疗功能的微针设备的巨大潜力将能够满足一体化治疗诊断系统的许多需求，这可以弥合可穿戴传感生物电子学和下一代医疗保健平台之间的差距（图6）。

图6 基于MN的医疗保健平台示例

5. 结论和展望

本文总结了微针传感器的分类和制备技术，并详细介绍了微针传感器的三种感应模式，包括离线传感、光学传感和电化学传感。作者强调了电化学检测多种分析物的方法以及最近在多模态传感方面取得的进展。此外，还介绍了最新的微针原型，包括闭环策略、系统集成和潜在的治疗诊断应用。

同时，作者指出微针传感器在医疗保健领域具有广阔的应用前景。未来的研究方向包括开发更加灵敏和选择性的传感器、实现更高效的数据处理和分析、提高系统集成度和可穿戴性、探索新的治疗诊断应用等。同时，也面临着一些挑战，例如如何解决微针传感器与皮肤之间的适配性问题、如何提高微针传感器的稳定性和可重复性等。总之，微针传感器是一个快速发展的领域，未来将会有更多创新和突破。

审核编辑：刘清