《Analyst》：Recent advances in microneedle-based electrochemical biosensors for monitoring biomarkers in interstitial fluid
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這篇綜述系統(tǒng)闡述了微針(MN)電化學(xué)生物傳感器這一前沿技術(shù)。文章聚焦于該技術(shù)在實(shí)現(xiàn)無創(chuàng)/微創(chuàng)、實(shí)時連續(xù)監(jiān)測間質(zhì)液(ISF)中生物標(biāo)志物方面的革命性潛力，涵蓋了從微針設(shè)計（如固體、中空、多孔和水凝膠微針）、傳感器構(gòu)建（直接檢測與介導(dǎo)檢測系統(tǒng)）到其在代謝物、激素、電解質(zhì)、核酸及蛋白等多類標(biāo)志物監(jiān)測中的應(yīng)用進(jìn)展，并展望了其在個性化醫(yī)療、床旁檢測(POCT)及未來臨床轉(zhuǎn)化中面臨的挑戰(zhàn)與前景。
微針(MN)電化學(xué)生物傳感器：開啟無創(chuàng)精準(zhǔn)監(jiān)測的新紀(jì)元
在個性化醫(yī)療與健康監(jiān)測需求日益增長的今天，能夠?qū)崿F(xiàn)實(shí)時、連續(xù)、微創(chuàng)監(jiān)測關(guān)鍵生理指標(biāo)的技術(shù)，已成為生物醫(yī)學(xué)工程領(lǐng)域的核心挑戰(zhàn)與前沿方向。傳統(tǒng)的靜脈采血體外診斷存在侵入性、依賴臨床環(huán)境、分析周期長等局限。間質(zhì)液(ISF)作為一種富含生理相關(guān)生物標(biāo)志物（如代謝物、電解質(zhì)、激素）的真皮層細(xì)胞外儲庫，其濃度與血液水平高度相關(guān)，為診斷信息提供了一個有效且微創(chuàng)的來源。微針技術(shù)通過其獨(dú)特的結(jié)構(gòu)和功能優(yōu)勢，能夠微創(chuàng)直接提取ISF并進(jìn)行原位實(shí)時傳感，解鎖了基于ISF的診斷潛力。其中，基于微針的電化學(xué)生物傳感器憑借高靈敏度與選擇性、直接快速的信號轉(zhuǎn)導(dǎo)、易于微型化以及與可穿戴設(shè)備集成的固有優(yōu)勢，已成為先進(jìn)床旁檢測(POCT)中最突出且技術(shù)引人注目的平臺之一。
高效采樣ISF的微針設(shè)計
為實(shí)現(xiàn)高效的ISF采樣，針對功能需求設(shè)計的微針主要分為四種類型：固體微針(SMNs)、中空微針(hMNs)、多孔微針(PMNs)和水凝膠微針(HMNs)。
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固體微針(SMNs)：通過合理設(shè)計針高、尖端半徑、基底直徑和陣列密度等結(jié)構(gòu)參數(shù)，并選用不銹鋼、鈦、硅和生物相容性聚合物等材料，確保高效皮膚穿透和機(jī)械完整性。其表面潤濕性可通過化學(xué)修飾、等離子體處理或構(gòu)建微/納米粗糙結(jié)構(gòu)進(jìn)行調(diào)節(jié)，以增強(qiáng)對ISF的吸附能力。
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中空微針(hMNs)：具有內(nèi)腔結(jié)構(gòu)，可通過激光鉆孔、光刻、復(fù)制成型、3D打印等先進(jìn)微加工技術(shù)制備。其內(nèi)腔能夠直接、定量地采樣ISF，無需樣本稀釋或損失，并可作為傳感器元件功能化的可修飾界面。
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多孔微針(PMNs)：通常設(shè)計有眾多毛細(xì)通道，具有可控孔徑、高孔隙率和互連孔等結(jié)構(gòu)特點(diǎn)。其微孔結(jié)構(gòu)提供了更大的比表面積和更多活性位點(diǎn)，可利用毛細(xì)作用或結(jié)合離子電滲療法增強(qiáng)ISF收集。
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水凝膠微針(HMNs)：通常由親水聚合物（如透明質(zhì)酸、聚乙烯醇）通過模具澆鑄并交聯(lián)固化制成。其核心優(yōu)勢在于獨(dú)特的溶脹特性，既能作為生物識別元件（如酶、抗體、適體）的優(yōu)異固定基質(zhì)，又能作為原位ISF提取和待測物富集的有效介質(zhì)。ISF提取的驅(qū)動力主要源于ISF與HMN水凝膠網(wǎng)絡(luò)之間的滲透壓差。
基于微針的電化學(xué)生物傳感器的構(gòu)建
基于微針的電化學(xué)生物傳感器主要由微針單元和電化學(xué)生物傳感單元組成，遵循兩種核心集成模式。
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MN直接檢測系統(tǒng)：遵循經(jīng)典的電化學(xué)生物傳感框架，由工作電極(WE)、對電極(CE)和參比電極(RE)組成。對于SMNs，可通過表面功能化導(dǎo)電材料或內(nèi)部涂覆導(dǎo)電復(fù)合材料來設(shè)計WE，再固定生物識別元件。通過集成化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定的惰性金屬CE和Ag/AgCl RE，形成全固態(tài)三電極系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)穿透皮膚后直接原位捕獲ISF中的生化分析物并將其轉(zhuǎn)化為可測量的電化學(xué)信號。對于PMNs和HMNs，可通過預(yù)先將導(dǎo)電材料和生物識別元件封裝在其多孔結(jié)構(gòu)或水凝膠基質(zhì)中來擴(kuò)展WE。
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MN介導(dǎo)檢測系統(tǒng)：耦合ISF采樣單元和電化學(xué)生物傳感單元。例如，hMNs和PMNs通常作為采樣單元，分別在微泵輔助下或通過其固有的毛細(xì)作用提取ISF。隨后，收集的ISF擴(kuò)散到預(yù)功能化的生物傳感單元（如絲網(wǎng)印刷電極、微流控芯片）的電化學(xué)界面上，實(shí)現(xiàn)靈敏的生物標(biāo)志物監(jiān)測。HMNs則提供了更簡化的采樣策略，基于熱力學(xué)和溶脹動力學(xué)有效提取ISF，并將其直接轉(zhuǎn)移至耦合的電化學(xué)傳感單元。
基于微針的電化學(xué)生物傳感器監(jiān)測生物標(biāo)志物
目前，基于微針的電化學(xué)生物傳感器已廣泛應(yīng)用于分析ISF中的多種生物標(biāo)志物，其連續(xù)縱向監(jiān)測能揭示生物標(biāo)志物的波動趨勢及個體差異、晝夜節(jié)律等影響。
代謝分子的監(jiān)測
實(shí)時連續(xù)監(jiān)測葡萄糖、乳酸、尿酸等代謝分子對于深入了解機(jī)體代謝活動和實(shí)現(xiàn)代謝性疾病的精準(zhǔn)診療至關(guān)重要。例如，研究者開發(fā)了基于可溶脹導(dǎo)電水凝膠微針陣列的無酶連續(xù)葡萄糖監(jiān)測(CGM)裝置，用于糖尿病大鼠模型中從高血糖到低血糖范圍的連續(xù)監(jiān)測。還有研究報道了完全集成的微針生物傳感器，可同時測量體育鍛煉期間與健康相關(guān)的生物標(biāo)志物（如葡萄糖、乳酸和酒精）。此外，將適體與水凝膠微針電化學(xué)傳感模塊集成的“可穿戴適體分析儀”，實(shí)現(xiàn)了對葡萄糖和乳酸的原位、實(shí)時、連續(xù)雙重監(jiān)測，克服了基于酶的檢測方法的局限性。
激素的監(jiān)測
激素水平的動態(tài)變化能直接反映靶器官的功能狀態(tài)。基于ISF的檢測能夠連續(xù)捕捉激素的動態(tài)波動模式。例如，研究人員設(shè)計了基于導(dǎo)電固體微針的適體傳感器，通過金鍍層和樹枝狀金納米粒子的電沉積構(gòu)建導(dǎo)電界面，基于適體與靶分子結(jié)合后的構(gòu)象變化，實(shí)現(xiàn)了對皮質(zhì)醇的靈敏檢測。另有研究通過將3D打印聚合物晶格保護(hù)膜集成到鍍金微針表面，并固定特異性適體，實(shí)現(xiàn)了胰島素的定量分析。此外，基于聚(3,4-乙撐二氧噻吩):聚苯乙烯磺酸鹽(PEDOT:PSS)涂層的三維微針陣列的柔性電化學(xué)免疫傳感器，實(shí)現(xiàn)了對孕酮(P4)和β-雌二醇(E2)的超高靈敏度檢測。
電解質(zhì)的監(jiān)測
電解質(zhì)平衡對于維持機(jī)體生理穩(wěn)態(tài)至關(guān)重要。例如，鈉離子(Na+)是評估低鈉血癥和高鈉血癥等疾病的重要預(yù)后生物標(biāo)志物。研究人員提出了一種用于ISF中鉀離子(K+)皮內(nèi)電位監(jiān)測的可穿戴全固態(tài)微針貼片。該貼片顯示出優(yōu)異的檢測性能，并在離體雞和豬皮膚實(shí)驗(yàn)中得到了驗(yàn)證。相比單一標(biāo)志物檢測，同時監(jiān)測不同類型的離子（如Na+, K+, Ca2+）能提供更全面的信息。研究者開發(fā)了通過激光微加工制造的多路生物傳感陣列，實(shí)現(xiàn)了對ISF中Ca2+、K+和Na+的實(shí)時同步監(jiān)測。
2+, K+, and Na+in ISF. (C) Schematic diagram of a polyaniline-modified functionalized MN array for in vivo pH sensing.">
氫離子(H+)濃度或pH值是反映酸堿平衡狀態(tài)和微環(huán)境穩(wěn)態(tài)的重要生物標(biāo)志物。有研究提出了一種基于高密度聚合物微針陣列(PMNA)的可穿戴生物傳感器，用于ISF pH的實(shí)時經(jīng)皮電位監(jiān)測。該傳感器采用聚苯胺(PA)涂層的PMNA作為工作電極，表現(xiàn)出高靈敏度、準(zhǔn)確度以及優(yōu)異的抗干擾能力和長期穩(wěn)定性。
核酸的監(jiān)測
核酸作為存在于血液和間質(zhì)液中的關(guān)鍵分子生物標(biāo)志物，在早期癌癥篩查、傳染病診斷等方面具有重要價值。以愛潑斯坦-巴爾病毒細(xì)胞游離DNA(EBV cfDNA)為例，研究者開發(fā)了一種水凝膠微針生物傳感貼片，可在約15分鐘內(nèi)從ISF中快速原位捕獲EBV cfDNA，并與電化學(xué)重組酶聚合酶擴(kuò)增(eRPA)集成實(shí)現(xiàn)定量分析。為了進(jìn)一步擴(kuò)展cfDNA提取和實(shí)時監(jiān)測能力，后續(xù)研究構(gòu)建了利用石墨烯生物界面和CRISPR-Cas9系統(tǒng)協(xié)同效應(yīng)的可穿戴微針貼片，用于實(shí)時監(jiān)測EBV、膿毒癥和腎移植排斥反應(yīng)相關(guān)的cfDNA。
蛋白質(zhì)的監(jiān)測
ISF中的蛋白質(zhì)是疾病診斷、療效評估和健康監(jiān)測的關(guān)鍵生物標(biāo)志物。例如，C反應(yīng)蛋白(CRP)是炎癥和細(xì)菌感染的關(guān)鍵生物標(biāo)志物。研究人員集成了超溶脹微針適體識別測試儀(uSMART)，用于CRP檢測。該系統(tǒng)由基于甲基丙烯酰化透明質(zhì)酸/透明質(zhì)酸鈉(HAMA/SH)的超溶脹MN采樣模塊和包含適體修飾的分層花狀金納米結(jié)構(gòu)絲網(wǎng)印刷碳電極(HFGN-SPCE)的協(xié)同生物傳感模塊組成，實(shí)現(xiàn)了對CRP的高選擇性、無試劑檢測。在細(xì)胞因子監(jiān)測方面，有團(tuán)隊(duì)開發(fā)了基于導(dǎo)電固體微針的免疫傳感貼片，通過原位電化學(xué)分析，實(shí)現(xiàn)了對白細(xì)胞介素-6(IL-6)的超高靈敏度檢測，并在大鼠膿毒癥模型中成功預(yù)警了IL-6濃度的升高。
在腫瘤相關(guān)蛋白標(biāo)志物監(jiān)測領(lǐng)域，酪氨酸酶(Tyr)是黑色素瘤發(fā)生發(fā)展的關(guān)鍵生物標(biāo)志物之一。研究者構(gòu)建了基于PEDOT:PSS復(fù)合導(dǎo)電微針的電化學(xué)生物傳感貼片，用于監(jiān)測Tyr。該傳感器通過連續(xù)修飾硅烷化和交聯(lián)L-3,4-二羥基苯丙氨酸(L-dopa)作為探針構(gòu)建了Tyr響應(yīng)性生物界面。此外，基于高密度硅微針陣列的電化學(xué)免疫傳感器也被開發(fā)用于檢測人表皮生長因子受體2(ErbB2)，在人工ISF中表現(xiàn)出較低的檢測限。
多種類型生物標(biāo)志物的同步監(jiān)測
對多種生物標(biāo)志物進(jìn)行同步監(jiān)測對于疾病及其并發(fā)癥的全面管理至關(guān)重要。受貓科動物倒刺舌針狀結(jié)構(gòu)啟發(fā)，研究者開發(fā)了一種自校準(zhǔn)多路微針電極陣列(SC-MMNEA)，能夠?qū)崟r、連續(xù)、同步床旁監(jiān)測ISF中的多種生物標(biāo)志物。該設(shè)計采用每個微針檢測單一分析物的策略，有效解決了直接化學(xué)修飾微針貼片引起的串?dāng)_問題，并通過中空微針傳遞已知濃度溶液進(jìn)行自校準(zhǔn)，提高了傳感器的可靠性。為了推進(jìn)有效的糖尿病管理，有團(tuán)隊(duì)創(chuàng)建了一種混合柔性腕帶，集成了用于傳感多種生物標(biāo)志物的微針陣列和用于監(jiān)測血壓、動脈僵硬度及心率的超聲陣列，實(shí)現(xiàn)了代謝和心血管狀態(tài)的連續(xù)床旁評估。
為實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)個性化的疾病管理，同時監(jiān)測藥物和疾病相關(guān)生物標(biāo)志物也至關(guān)重要。研究者提出了一種基于微針的連續(xù)生物標(biāo)志物/藥物監(jiān)測(MCBM)系統(tǒng)，采用層層納米酶固定策略的雙傳感器微針，利用3D打印微針通道和差分脈沖伏安法(DPV)，準(zhǔn)確檢測ISF中的葡萄糖和二甲雙胍濃度。
前景與挑戰(zhàn)
基于微針的電化學(xué)生物傳感器已成為一個變革性的微創(chuàng)生物傳感平臺。其前景包括：通過集成納米材料、微加工技術(shù)和CRISPR等尖端技術(shù)提升分析性能；擴(kuò)大在患者群體中的監(jiān)測范圍并實(shí)現(xiàn)多重檢測；在家庭醫(yī)療、急救護(hù)理等多樣化實(shí)際應(yīng)用場景中發(fā)揮重要作用。
然而，實(shí)現(xiàn)這些目標(biāo)仍需應(yīng)對若干挑戰(zhàn)：將電化學(xué)傳感組件集成到微針結(jié)構(gòu)中面臨微型化和穩(wěn)定性的難題；微針基底與傳感材料之間的界面相容性不足；微針模塊內(nèi)的流體動力學(xué)限制影響電化學(xué)反應(yīng)效率；復(fù)雜ISF成分的干擾在基于微針的電化學(xué)檢測中被放大；針對個體皮膚生理和ISF成分差異的傳感器響應(yīng)校準(zhǔn)仍然困難。此外，將連續(xù)數(shù)據(jù)流轉(zhuǎn)化為臨床可行見解以及為集成醫(yī)療器械建立清晰的監(jiān)管路徑，是實(shí)現(xiàn)成功商業(yè)化和廣泛采用的關(guān)鍵步驟。隨著與物聯(lián)網(wǎng)和人工智能算法的整合，基于微針的電化學(xué)生物傳感器有望通過實(shí)時數(shù)據(jù)采集和智能分析，從根本上改變醫(yī)療保健服務(wù)模式，實(shí)現(xiàn)預(yù)測性和個性化醫(yī)療。
