半侵入式"可穿戴诊所"——微针技术的创新应用

长度在10至1000微米范围内的微针（MN）表现出有效穿透角质层的能力，使其能够进入间质液进行采样或原位检测。与此同时，微针穿透皮肤所创建的微通道可以作为多种药物经皮递送的通道。与传统的血液采样和经皮药物注射方法相比，微针具有无痛、微创、操作简单和更高的安全性等优点。如图1所示，微针器件用于经皮药物递送的演变始于1976年的首次专利授权。随后，这些器件在生理信号监测、药物递送和生物标志物检测等领域取得了迅速进展。在最初阶段，微针主要用于经皮药物递送领域，通过微针创建的微通道或将药物直接加载到微针中进行药物给药。随着微细加工技术和智能材料的进步，微针药物递送技术逐渐向具有增强可控性和智能性的方向发展。这使得通过加热、照明、电场甚至调节局部组织环境等机制实现药物的定量和精确释放成为可能。随后，由于微针尖端具有穿透角质层并建立低阻抗接触的能力，微针被用于从间质液中收集生理信号。此外，对间质液的增进了解促使研究人员利用微针器件收集、分析和原位检测间质液中的生物标志物。这已成功检测和分析了各种生物标志物，包括葡萄糖、炎症因子、离子、核酸分子、肿瘤标志物等。   

图1 微针器件的主要成果和发展   近期，来自郑州大学的研究人员概述了微针诊断和治疗器件在生物标志物检测、药物递送和集成智能诊断治疗平台领域的最新进展（图2）。首先，本综述介绍了微针器件常用的材料，并描述了各种微针制备方法，主要集中在溶剂铸造、3D打印和磁/电辅助3D打印过程。随后，从检测机制的角度，介绍了基于荧光、拉曼和电化学的微针经皮诊断方法。此外，本文介绍了基于微针的经皮药物递送策略的三种不同控制方法，包括降解、光热和电控制机制。此外，还回顾了各种通过微针实现的体内药物递送系统，揭示了微针在医学领域中应用场景的不断扩大。最后，本综述描述了由微针实现的智能诊断和治疗系统的最新进展，对微针器件的未来发展趋势进行了分析和预测。相关工作以“Semi-invasive wearable clinic: Solution-processed smart microneedle electronics for next-generation integrated diagnosis and treatment”为题发表在国际知名期刊Biosensors and Bioelectronics上。     

图2 微针器件的应用和集成  

溶剂铸造微模压制工艺

溶剂铸造微模压制工艺广泛应用于材料成型过程中，用于制造复杂的几何形状和内部结构，并在微针阵列的制造中越来越受欢迎。为了制作微针阵列，通常需要首先通过激光切割或金属阳模制作凹模。此外，聚二甲基硅氧烷（PDMS）被用于制作凹模，它是一种具有稳定化学性质、低粘附性和良好转录能力的疏水材料，有利于材料脱模。因此，微针阵列可以在由后续添加功能性溶液构建的更复杂结构的PDMS模具中干燥或聚合固化。例如，Muamer等人通过将光固化聚合物材料倒入预制的PDMS模具中，并在紫外（UV）照射8分钟后制造了微针阵列（图3a）。随后，基于高密度微针阵列的传感贴片被制备用于监测间质液中的pH值，可以敏感且准确地检测4.0-8.6范围内的pH值。

图3 通过溶剂浇铸微模具制备微针  

3D打印

3D打印技术是一种逐层构建物体的增材制造技术，通过将数字模型切片成薄层，逐层堆叠打印材料，最终构建立体物体。常见的3D打印技术包括熔融沉积建模（FDM）、光固化造型（SLA）、数字光处理（DLP）和选择性激光烧结（SLS）（图4a）。FDM使用热塑性材料，例如聚乳酸（PLA）或丙烯腈丁二烯苯乙烯（ABS）塑料，通过选择性地在预定路径上堆积熔化的材料，由于其成本低廉和操作简便，已得到广泛发展。Luzuriaga等人采用可再生和可降解的热塑性PLA材料通过FDM打印制造微针。为了克服FDM 3D打印的低分辨率，他们开发了一种事后化学蚀刻工艺来提高打印组件的尺寸。结果显示，微针的尖端尺寸改善到了小至1微米（图4b）。Tang等人研究了各种3D打印参数对PLA微针的经皮递送系统的影响，包括打印温度、层厚、挤出宽度、填充宽度和喷嘴孔径（图4c）。结果表明，喷嘴孔之间的间距越小，毫米级投影越多，表面光洁度越好，但对准确性影响不大。

图4 通过3D打印制造微针  

磁辅助成型技术

通过溶液浇铸，可以快速高效地生产微针。然而，具有独特结构的微针，例如蘑菇和倒钩形状，在脱模过程中会带来挑战。为了生成具有挑战性的独特微针结构，将铁磁颗粒纳入以创建磁性流体，这样可以构建专门的微针结构。Chen等提出了一种新的磁化诱导自组装方法用于制造微针阵列。该过程涉及使用环氧酚醛清漆树脂、固化剂（改性脂肪族胺）和铁粉作为磁性流体，如图5a所示。在磁化场的作用下，磁性流体从模具的微孔中挤出，形成微针阵列。基于上述工作，Chen等人探索了一种新的MRDL方法，有效地制造微针。该方法可以直接从几乎所有基底上拉出CMRF液滴，并在外部磁场下形成三维微针（图5b）。该方法继承了热拉伸的优势，无需模具和照明，也无需控制和调整拉伸温度。通过调整可固化液、固化剂和磁性颗粒的比例制备CMRF。将直径为0.7毫米的铜针浸入CMRF液滴中，并在基底表面上拉动。然后，在外部磁场和热风的辅助下制造微针。将上述方法制造的产品固定为母微针水平放置，使用浸入CMRF液滴的拉伸柱向母微针表面移动并轻微压缩。随后，拉伸柱向后移动，在外部磁场的作用下在母微针表面形成液体微倒钩。连续旋转母微针的角度并重复上述形成过程，最终在表面产生了具有微结构倒钩的微针（图5c）。 

图5 在磁场的辅助下制造微针    

智能微针的荧光检测

荧光检测是一种常用的生物分析技术，具有高灵敏度、广泛适用性和定量性的优点。利用荧光检测的MN生物传感器利用微针穿透皮肤并进入间质液。表面修饰的生物分子识别层，如抗体、蛋白质、核酸或化学配体，被用来选择性地识别和结合目标生物分子。这种相互作用改变了荧光探针的环境或诱导光学信号转换，从而导致荧光发射的强度、波长或寿命的变化。最终产生的信号被荧光仪器捕获并进行分析。

图6 基于荧光的微针检测     

智能微针的拉曼检测

基于拉曼检测的微针生物传感器提供了一种独特的方法，通过结合先进的拉曼光谱技术和微针递送系统，实现准确且非侵入性的生物分析。微针可以轻松穿透皮肤的角质层并直接到达皮肤组织液，而表面组装的生物分子识别层（如抗体、核酸等）可以特异性地识别并与目标生物分子结合。此时，通过移除微针并使用拉曼光谱技术，可以实现对皮肤间质液中目标生物分子的检测。当拉曼激光照射在微针表面时，会激发特定频率的光散射。这种散射光在通过生物分子识别层与目标分子结合后，其特性会发生变化，包括拉曼光谱的位移和强度变化，从而实现对目标生物分子的定性和定量分析。 

图7 基于拉曼光谱的微针检测  

智能微针的电化学检测

电化学生物传感器因其高灵敏度、高特异性、实时检测和便携性，已在生物医学、环境监测和食品安全领域得到广泛应用。电化学生物传感器是一种将生物分子的识别与检测以及电化学信号转换整合在一起的装置，用于检测和分析生物样本中分子或生物体的存在和活性。这些传感器通常由三个主要组成部分：生物分子识别层、换能层和检测层。生物分子识别层是一层能够与目标生物分子高特异性和选择性地相互作用并引发一系列化学反应的生物分子，如抗体、酶或DNA。换能层是将生物分子的识别和结合反应转化为可观测的电化学信号的一层。通常，这一层包括电极，通过电子转移过程将生物分子的识别和结合事件转化为电流或电压的变化。检测层用于监测和记录电化学信号的变化，可以将变化的电信号转换为可视化数据或定量结果。基于电化学检测的微针生物传感器利用微针技术轻松穿透皮肤的角质层并到达皮肤的间质液。修饰在微针表面上的生物识别层可以特异性地识别并与目标生物分子结合。结合发生后，生物化学特性发生变化，进而影响电流、电位或电荷的传输。这种变化可以通过传感器系统中的电化学工作站检测并转换为定量信号。    

图8 基于电化学检测的微针传感器  

基于智能微针的药物递送

作为一种微创工具，微针能够穿透角质层形成微通道。这个过程增加了皮肤的渗透性，使大分子药物能够进入全身循环，从而便于有效地吸收药物，实现更方便、准确和舒适的治疗效果。与常用的口服和注射给药方法相比，微针给药具有避免口服药物在消化系统中部分代谢和注射不适的优势。因此，微针给药引起了越来越多的关注，并在疾病治疗方面取得了重要的里程碑。微针给药的释放形式逐渐多样化，包括降解控制释放、光热控制释放、电控制释放等。本文主要总结了近三年来微针给药的发展和代表性应用。    

图9 降解触发药物释放的药物递送微针器件  

图10 光热释放触发的药物递送微针器件  

图11 电触发的药物递送微针器件  

智能微针的诊断与治疗一体化

可穿戴医疗设备作为现代医疗技术的重要组成部分，随着社会发展和对个性化医疗保健需求的不断增长，已经取得了显著进步。可穿戴医疗设备正不断发展，趋向远程监测和远程医疗、数据驱动的健康管理、多功能集成设计以及外观和舒适度的改善。微针的独特结构使它们能够穿透角质层屏障，到达ISF以监测和分析目标浓度。同时，分析结果可以决定是否释放药物载体进行治疗。因此，将微针器件开发为诊断和治疗一体化平台具有巨大潜力。虽然已经开发出具有环境感知能力的智能微针，但它们仍然局限于某些条件，难以提供准确的监测数据。随着使用微针器件进行传感诊断和药物递送的技术日益成熟，器件的集成化也进一步增强。与此同时，具有传感和药物递送功能的集成微针平台技术也在快速发展。Zhang等人报道了一种含有葡萄糖响应性囊泡（GRVs）的葡萄糖响应性胰岛素递送微针阵列贴片，这些囊泡装载有胰岛素和葡萄糖氧化酶（图12a）。在高血糖情况下，葡萄糖的酶促氧化导致GRV亲水性的局部缺氧微环境变化，从而导致囊泡解离和胰岛素释放，从而调节血糖水平。此外，通过使用环境响应材料，如含有Exindin-4和葡萄糖氧化酶（GOx）的介孔二氧化硅纳米颗粒或生物矿化颗粒，提出了闭环控制的微针给药。    

图12 集成诊断和治疗功能的智能微针器件  

在医疗保健行业中，对可穿戴健康设备的需求正在迅速增长，而由于微针器件具有无痛穿透角质层的能力、易于药物加载、实时原位监测和良好的生物相容性，因此它们已成为引人注目的可穿戴设备。研究人员不断优化和改进微针器件的检测灵敏度和剂量智能性。本文介绍了微针的制备技术及其精细结构，并总结了基于微针的三种经皮感测方法，包括荧光、拉曼和电化学方法，以及基于微针的四种药物递送策略，包括降解释放、光热释放、电释放和体内释放。此外，本文还更新和总结了微针器件与全面诊断和治疗平台集成的最新进展。在精准医学和医疗应用领域，对智能可穿戴设备的需求正在迅速增长。近年来，具有全面诊断和治疗功能的智能微针在实时监测和原位治疗方面受到了广泛关注。