基于微针的生物传感器研究进展

皮肤作为人体最大的器官，储存了各种代谢物，可以作为疾病预后和监测的生物标志物。微针（Microneedles，MNs）是一种微小的针头，以微创的方式应用在皮肤上，用于促进经皮给药或吸取皮肤中的间质液（ISF），其中包含各种可以用作生物标志物的代谢物。采集间质液后可以进行后续的分析或在现场进行实时的生物传感，以用于疾病诊断和药物监测。微针的这种无痛和易于使用的特点对患者具有非常大的吸引力，尤其适用于长期监测。
近期，贝尔法斯特女王大学Ryan F. Donnell教授等人，讨论了微针在生物传感领域的应用。该论文重点讨论了不同类型的微针和用于开发基于微针的生物传感技术。此外，该论文还讨论了将微针与可穿戴设备集成以实现实时监测，从而改善即时医疗检测的潜力。最后，该论文回顾了在将这项技术从实验室引入临床应用过程中需要考虑的转化障碍。该综述文章以“Microneedle-based biosensing”为题发表在Nature Reviews Bioengineering期刊上。第一作者是贝尔法斯特女王大学的Lalitkumar K. Vora博士。
用于生物传感的微针类型
首先，论文讨论了用于生物传感的不同类型的微针。微针是一种微小的针头，可以无痛地穿透皮肤的最外层，即角质层，形成可以用于给药的毛孔。除了用于给药，微针还可以开发用于诊断的生物传感器。根据穿透皮肤的深度，它们可以用于提取间质液或者血液。此外，微针还可以在皮肤内用作电极。

图1 不同类型的基于微针的生物传感器及其发展历程,微针可以通过简单的贴片方式施加在皮肤上，也可以借助手持式施用器进行施用。另外，基于微针的生物传感器也可以集成到可佩戴的手环等设备中。微针的主要类型包括实心微针、涂层微针、多孔微针、可溶解微针、水凝胶微针和空心微针。
实心微针是最早发明的微针类型，通常由金属（如不锈钢或钛）制成，常用的制备方法包括蚀刻或激光切割。实心微针通常用于两步采样过程的一部分，它们被应用于皮肤上，然后在使用额外的采样技术（如吸引力或吸收性膜）提取间质液之前被移除。然而，实心微针采样效率较低，限制了其用于间质液采样的应用。
涂层微针是用于诊断目的的实心微针的改进版本，通常由不锈钢、硅或聚合物（如聚碳酸酯、聚乳酸、聚己内酯或聚甲基丙烯酸甲酯）制成，然后涂覆上金属等生物传感物质。这些微针可以作为电化学滴定的电极，用于检测某些癌症、肾功能衰竭、周围动脉疾病、药物和葡萄糖监测等生物标志物。然而，某些涂层可能存在生物相容性问题，需要进一步研究。
多孔微针是实心微针的一种特殊类型，其多孔结构通过微型模压技术制备。多种聚合物材料可以用于制备多孔微针，如光固化甲基丙烯酸酯树脂、醋酸纤维素或可生物降解的聚乳酸-乙二醇酸（PLGA）。多孔微针通过增强微观层面上的毛细作用来促进间质液的吸收。多孔微针可以用作电化学葡萄糖监测的电极，也可以用于评估不同的皮肤参数。
空心微针广泛用于诊断目的，使用毛细作用可以通过微针中心的空心孔提取间质液或血液。这种类型的微针通常由金属、硅或丙烯酸酯基树脂制成。空心微针可以提取较大量的间质液，但通常需要几小时的吸引力来实现较大容积的液体提取。
水凝胶微针是另一种用于诊断和传感应用的微针类型，它们由交联聚合物制成，能够吸收和保持液体。这些微针在皮肤上应用后，会吸收间质液并在原位形成水凝胶。水凝胶微针可以提取相对较高量的间质液，但某些代谢物可能会与水凝胶基质相互作用，导致需要在进行离体分析之前进行繁琐的提取过程。
可溶解微针通常是由聚合物制成，例如聚N-乙烯吡咯烷酮和透明质酸，它们在插入皮肤的最上层后会溶解。

图2 微针在皮肤中的留存和生物流体提取机制示意图,微针与生物传感器的结合
接着，论文讨论了微针与生物传感器结合的不同策略和方法，以及不同类型的传感器在这一领域的应用。主要的传感器类型包括电子传感器、电化学传感器、光学传感器和拉曼传感器。
电子传感器通常与水凝胶型、多孔型和空心型微针结合使用，用于监测间质液的成分、皮肤屏障功能或皮肤内不同电解质的平衡。这些器件通常通过逆离子导入的方式，将分析物积聚在植入的电极上，然后在将电极从皮肤中移除后，通过离体冲洗再进行分析或定量。在某些改进的电子生物传感技术中，可以在皮肤上应用后进行原位分析，实现实时监测。电子传感器的电极通常通过离子传导界面或充满导电液体或电解质的原位区域与其源表连接。这些电子传感器可以利用皮肤的自然电导率来完成电子电路，确保可靠运行。电化学传感器通常是利用电极涂层或混合化学成分，通过化学反应引起的电位变化来检测生物标志物。
光学传感器测量特定光的强度，可以与空心微针结合使用，通过利用单个微针的中心孔道进行间质液的收集和分析，这称为光流体学。这些器件可以使用极小体积的样品液进行准确的分析，因此可以用于治疗药物的监测等应用。光学传感器的应用范围广泛，包括基于折射率、荧光、吸收和偏振等检测机制。
拉曼传感器是一种可以与微针结合使用的传感器模式。通过在微针的背衬层上应用表面增强拉曼光谱技术，可以用于皮肤上的葡萄糖检测，例如，非膨胀型甲基丙烯酸酯微针可以涂覆1-癸硫醇（与葡萄糖结合）和银纳米颗粒（增强拉曼信号）。拉曼传感器可以用于在皮肤上进行实时的葡萄糖监测。此外，还可以使用金纳米花作为信号放大器，用于对单个微针尖端的离体分析。这些传感器利用了拉曼光谱技术的灵敏性和选择性。
这些不同类型的传感器结合微针技术可以用于实现生物传感应用，包括葡萄糖检测、药物监测以及多重生物标志物的同时分析。这些技术的选择取决于微针类型、目标分析物和分析的便捷性，而原位分析或离体分析的能力也是整体设备设计的重要组成部分。同时，这些技术的成功应用突显了微针平台在生物传感领域的多功能性。

图3 微针用于生物传感的工作原理示意图,基于微针的生物传感器在临床上的应用
该论文还讨论了基于微针的生物传感器的各种临床应用，强调了它们在以下领域的潜力>
（1）浅层和深层体液感测：基于微针的生物传感器用于采集和分析浅层和深层体液。例如，它们可以监测间质液中的葡萄糖水平，用于糖尿病管理，并可以用比传统方法更少痛苦和更便捷的方式收集血液样本。这些器件已在临床环境中进行了测试。
（2）癌症和感染的诊断：基于微针的生物传感器可以直接插入肿瘤微环境或感染部位进行诊断。它们可以检测特定的生物标志物，如用于黑色素瘤检测的酪氨酸酶、用于皮肤癌诊断的乳酸和用于COVID-19等传染病的抗体。这些器件具有提供快速和准确诊断能力的潜力。
（3）一次性和实时监测：基于微针的生物传感器用于治疗药物监测，允许从皮肤中采集药物物质和生物标志物。它们具有实时监测各种生物标志物的潜力，如葡萄糖、帕金森病生物标志物L-多巴和结肠癌生物标志物一氧化氮。此外，这些传感器简化了生物标志物跟踪方法，并可用于个性化医学。
（4）持续监测：对生物标志物和生理功能的持续和准确监测对于有效的疾病治疗和管理至关重要。基于微针的生物传感器用于连续监测葡萄糖和其他分析物，提供了微创和便捷的方法。它们还可用于监测抗生素的使用情况并优化药物剂量。
（5）已开发的可穿戴原型：已经开发了各种可穿戴的基于微针的生物传感器原型，用于多种生物标志物（如葡萄糖、乳酸和酒精）的实时监测。这些可穿戴设备可以将数据无线传输到智能手机，为患者提供持续的与健康相关的反馈。它们具有提高患者独立性和减少患者与医生直接互动需求的潜力。
（6）过量检测：基于微针的生物传感器还被用于快速早期检测物质过量，特别是阿片类药物和神经毒剂。这些传感器可以提供超灵敏的阿片类药物检测，并有望有助于解决与物质滥用有关的全球卫生危机。

图4 具有基于微针的生物传感器的先进概念验证装置,基于微针的生物传感器的临床转化限制因素
接着，论文讨论了基于微针的生物传感器在实际应用中的转化限制因素以及与其商业化相关的问题。
（1）连续葡萄糖监测：介绍了市场上主要以连续葡萄糖监测为主的可穿戴生物传感器，如Abbott的Freestyle Libre®和Medtronic的Guardian长针葡萄糖传感器。还提到了一种新型的微针器件原型，结合了中空微针和安培传感器，用于连续葡萄糖监测，并对其进行了10名糖尿病患者的测试。测试结果显示，基于微针的生物传感器在72小时内首次实现了临床准确的性能，并且患者对该设备的耐受性良好。
（2）分散卫生保健：提到了通过可穿戴的卫生保健设备可以实现远程患者监测，从而减少患者等待时间，吸引了利益相关者和患者的兴趣。学术界和工业界之间存在越来越多的合作，以开发和商业化基于微针的生物传感器。
（3）分析范围和样本体积：为了成功商业化，基于微针的生物传感器必须能够快速准确地检测间质液中的各种分析物，并且必须谨慎考虑间质液中分析物浓度与血液之间的关联。虽然微针介导的间质液采样与吸引或微透析相比，样本量较少，但使用微针采样间质液可以避免血液污染和与血液生物标志物水平的校准问题。基于微针的生物传感器可以检测约25种不同的分析物，如葡萄糖、多种药物、胆固醇和各种离子，检测时间为几分钟甚至几秒钟。此外，已有五种基于微针的生物传感器进入了临床试验。
（4）能源和数据管理：部分基于微针的生物传感器需要使用泵和/或光学或电子元件，这些元件需要外部能源。这可能导致器件体积变大，并可能增加制造成本，特别是对于一次性器件。此外，需要仔细考虑日志记录数据的管理，包括数据的传输、保护和存储。因此，需要开发简单而有效的基于微针的生物传感器。
（5）患者接受度：基于微针的生物传感器不仅需要满足相关的应用需求，其采样方法也必须简便、具有可行性。因此，需要进行临床研究以评估其应用的可靠性和效用，以及患者对其的反应。微针应用器的反馈机制也是一个重要考虑因素。
（6）生物负担：由于微针旨在破坏角质层和皮肤的屏障功能，因此可能增加感染风险。然而，与微针应用相关的感染风险非常低，因为微针插入皮肤后的微生物渗透风险可以忽略不计。此外，皮肤是有免疫能力的器官，含有大量的抗原呈递细胞，可以在微生物感染皮肤之前应对微生物。基于微针的生物传感器的无菌性仍然是一个需要关注的话题。
（7）监管：目前还没有针对基于微针的生物传感器的监管指导。然而，美国FDA最近针对化妆品行业中使用的微针产品提出了监管考虑因素。因此，基于微针的生物传感器可能会受到类似的性能参数要求。微针的皮肤插入可以使用光学相干断层扫描来确认。
未来前景与展望
最后，论文讨论了微针技术的前景和未来发展趋势。
（1）疫苗递送和临床试验：提到了自20世纪90年代以来，对微针系统进行了广泛的研究，其中重点放在疫苗递送方面。举例说明了麻疹和风疹疫苗的微针贴片正在进行临床试验，并且在儿童中的第一次临床试验的第一和第二阶段显示其有效性与皮下注射相媲美。
（2）药物递送：某些公司尝试将药物递送与微针技术相结合，但并没有提到FDA批准这些产品。尽管如此，全球最大的皮肤贴剂制造商LTS Lohmann在微针技术方面已经取得了显著的工业进展，具备了符合良好制造规范的可扩展生产能力。
（3）生物传感器和诊断设备：指出学术界已广泛研究了基于微针的传感器和诊断设备，但工业界的研究水平尚未达到同样的程度。然而，当前对可穿戴生物传感器的需求非常高，市场估值超过120亿美元。
（4）疫情对需求的影响：COVID-19大流行触发了对患者居家诊断的需求。因此，居家诊断或患者监测设备，特别是与医疗保健提供者进行无线通信的设备，变得必不可少。
（5）未来挑战和发展方向：提到了需要继续优化设备的功能，减小尺寸和成本，选择要检测或定量化的生物标志物或药物物质。预计微针系统不会很快取代市场领先的可穿戴葡萄糖传感器，因此可能需要寻找其他目标以获得重要的市场份额。此外，安全性将需要考虑，特别是如果微针在皮肤上的应用时间达到几天而不是几小时。作者指出，在其他公司投入商业化资金之前，需要看到一家公司成功地将产品推向市场。
（6）技术发展趋势：作者认为将基于微针的生物传感器平台进一步整合到先进算法、物联网工具和临床决策支持系统中，可以作为初级和专业卫生保健中的微创设备。此外，应进行有关患者和临床医生对微针技术的看法的探索性研究，以突出这项技术的接受程度和需求。