基于微针的生物医学系统的设计、制造和应用研究进展

可穿戴设备因其便携性和在医疗保健生物标志物监测方面的潜在实用性而备受关注。微针（MN）可以穿过皮肤屏障进入组织液（ISF），是一种用于透皮传感和药物递送的很有前景的微创技术。微针有潜力克服传统透皮给药的局限性，使其成为继口服和注射之后另一种有前景的给药方式。

近日，来自上海理工大学的朱志刚教授团队对微针在生物医学系统中的应用进展进行了全面分析，总结了该领域的最新研究成果，为微针医疗保健应用中需要解决的问题提供参考。相关论文以“Advances in Biomedical Systems based on Microneedles: Design, Fabrication, and Application”为题在线发表在Biomaterials Science期刊上。

图1 微针在传感和给药方面的应用以及构建治疗系统的前景

首先，作者对微针作为生物医学系统中新兴和有价值的工具的优势做了讨论。

（1）微针提供了一种以患者为中心的替代传统药物管理技术，减少了注射的必要性并促进了治疗依从性。

（2）扩大获得更安全、更有效的疫苗接种的机会。

（3）推动POCT的发展。诊断设备中的微针使生物标志物的非侵入性和实时检测成为可能，从而增强了医疗保健监测过程。

（4）将微针与个性化医疗相结合，为个性化治疗策略开辟了新的领域。

（5）基于微针的组织工程有助于细胞和生长因子的精确透皮给药，从而促进伤口愈合和组织再生的过程。

根据有无空腔和空腔类型，微针可分为空心微针、实心微针、包覆微针和多孔微针。作者总结了微针的分类、设计和制造。

图2 微针的分类、设计和制造

随后，作者提供了微针在传感应用方面的最新进展。微针提供了一种快速而直接的方法来获取间质液中的生物标志物并获得有价值的诊断信息。使用微针从真皮层取样间质液包括三步过程：间质液通过皮肤流向微针，间质液的分配以及间质液通过微针转运到人体皮肤表面。

图3 基于微针的透皮传感应用

透皮给药（TDD）由于其无痛、无创、直接等优点，是一种比皮下注射更被患者广泛接受的替代给药方法。微针可以穿透皮肤角质层，形成微通道，增强大分子药物的皮肤渗透性。因此，除了提取间质液和分析生物标志物外，微针还被用于控制或自主的疫苗和药物的透皮给药，这些疫苗和药物不能通过常规透皮给药和其他途径递送。作者总结了基于微针的药物和疫苗递送（图4）、刺激反应性微针（图5）以及基于微针的生物医学治疗系统的开创性和代表性研究（图6）。

图4 微针在透皮给药中的应用

 

图5 基于微针的刺激反应性药物递送

 

图6 基于微针的治疗诊断系统

目前基于微针的医疗保健研究到下一代可穿戴设备的主要努力方向是主要包括：

（1）通过刺激反应材料控制药物释放的微针的开发。

（2）微针与先进的生物传感和诊断平台的集成，如可穿戴设备和护理点检测。

（3）尝试建立治疗的感觉-行为系统，实现个性化治疗，最大限度地提高患者的生活质量。

此外，为了有效利用微针的诊断和治疗潜力，解决各种现有的困难是至关重要的。由于皮肤弹性、厚度、个体特征等因素对穿刺深度和全面性的潜在影响，实现可靠的皮肤穿透和有效的针-组织耦合是一个很大的障碍。优化微针几何参数设计，改进微针制造方法，开发通用涂抹器可能是确保一致和有效的皮肤穿透的必要条件。在基于微针的诊断中，可重复的绝缘、封装和传感器修改协议是技术挑战之一。微针传感领域的另一个障碍是解决微针在人体上长期操作的生物污染和异物反应问题。

审核编辑：刘清