一種基于激光鉆孔空心微針貼片的全集成觸摸激活式可穿戴裝置

皮膚間質液（ISF）是一種豐富的生物標記物來源，是對血液和尿液等傳統生物流體的補充。它含有重要的代謝和免疫生物分子，并與血液密切相關，因此有望取代目前基于血液的金標準診斷。與血液相比，ISF具有多種優勢，包括可通過皮膚廣泛獲取、可采用無創或微創采樣方法以及凝血因子的部分存在，因此有利于對生物標記物進行連續監測。多項研究表明，ISF、血清和血漿的成分相似，尤其是葡萄糖、尿素、乳酸鹽、H?（pH 值）、Na?、K?等低分子量物質，盡管ISF的可及性似乎很高，其體積是血液的三倍，但采集ISF樣品仍是一項具有挑戰性的任務。近年來，能以無痛、易用的方式提取真皮層ISF的微針可穿戴裝置越來越受到關注。

近期，來自土耳其科奇大學（Ko? University）的Levent Beker團隊介紹了一種基于激光鉆孔空心微針（HMN）貼片的全集成觸摸激活式可穿戴裝置，可用于連續采樣和檢測真皮層ISF。所開發的真空集成ISF提取和傳感（VIES）平臺可產生并維持所需的真空壓力（低至約-53 kPa），以收集足夠量的ISF（~ 2 μL/針/h），可用于醫療應用。真空系統可通過手指一觸式操作啟動。對微針陣列大小、真空壓力和抽取持續時間對收集到的ISF的影響進行了參數研究。通過對動物模型中ISF的葡萄糖和pH值進行電化學檢測，進一步證明了所提議的平臺具有連續健康監測的能力。這種基于激光鉆孔空心微針的系統為醫療診斷和治療提供了一種替代現有侵入性ISF收集和傳感技術的工具。相關工作以題為“A Wearable Touch-Activated Device Integrated with Hollow Microneedles for Continuous Sampling And Sensing of Dermal Interstitial Fluid”的文章發表在國際著名期刊Advanced Materials上。

該VIES系統由四部分組成，包括：（a）真空發生室和液體萃取室；（b）集成絲網印刷電極的三維柔性微流控模塊，用于ISF采樣和傳感；（c）激光鉆孔空心微針補??；以及（d）自主開發的印刷電路板，用于信號采集和通過藍牙模塊進行數據傳輸。圖1a展示了可穿戴VIES裝置，該裝置安裝在人體手臂上，用于ISF采樣和現場ISF分析。圖1b展示了VIES系統三個主要部分的特寫圖。測量數據可通過向電子設備無線傳輸電化學傳感信號來獲?。▓D1c）。如圖1d所示，微流控模塊是由雙面膠帶、帶有絲網印刷電極的透明PET薄膜、空心微針貼片和皮膚粘合劑垂直組裝而成。如圖1f所示，真空發生系統由三個主要部分組成：（1）真空發生室；（2）液體提取室；（3）被動（單向）閥。用手指按壓真空室可激活出口被動閥（CV #1），而兩個真空室之間的閥門（CV #2）則保持關閉狀態。這就在腔室中產生了負壓，由于已建立的壓力梯度，打開了CV #2，關閉了CV #1（圖1g）。當液體吸收室和真空發生室達到平衡壓力時，兩個被動閥都會關閉，因為與大氣壓力相比，腔室的壓力較低。產生的負壓有助于通過空心微針將ISF抽取到微流控室內（圖1h、1i）。使用CV #2 可以連續按壓真空發生腔，而不會降低液體提取腔的真空壓力。圖1j、1k是使用VIES系統提取ISF的示意圖。

圖1 基于空心微針的按需提取ISF和電化學傳感的可穿戴裝置圖解

空心微針貼片采用傳統的成型技術制備，然后用激光鉆針建立從皮膚到微流室的ISF傳輸微通道。微針貼片由金字塔形的微針組成，其高度、邊緣寬度和金字塔中心之間的空間分別為1.5毫米、0.6毫米和1.2毫米（圖2）。圖2b給出了微針補丁的詳細形態特征，這些特征分別用光學顯微鏡和掃描電子顯微鏡（SEM）觀察到。為了最大限度地降低組織堵塞造成的堵塞風險，空心微針設計為側面開口，開口朝向垂直于插入方向，而不是針尖上的開口。為了研究微針的機械強度，本研究按照以前報道過的方案，使用了定制的力-位移測試裝置。壓縮研究（圖2e）證實了微針補丁的機械穩定性，因為沒有觀察到斷裂（曲線平滑，圖中的力沒有急劇下降）。由此產生的針尖末端垂直位移約為0.15毫米（約為針高的10%，n = 3），因此對微針貼片的穿透性能影響很小。插入研究表明，要達到1.5毫米的位移（相當于微針的長度）需要不到2牛頓的壓力（每針0.08牛頓，n = 3）。需要注意的是，由于皮膚具有彈性，針刺入皮膚的深度將低于1.5毫米。在剪切載荷試驗中，將每根針刺入皮膚的力減小到2牛頓（與壓縮載荷類似），得到了一條平滑的曲線，并觀察到輕微的位移，這表明微針貼片的結構保持完整。

圖2 微針和空心微針貼片的表征

本研究在每個腔室（真空發生腔室（CH #1）和ISF抽取腔室（CH #2））內放置了壓力傳感器，以便在表征實驗過程中監測壓力曲線。如圖 3a（i）所示，由于CH #1內部壓力增加，對CH #1施加壓縮力會激活CV #1。消除壓縮力后，基于PDMS的CH #1的彈性自我恢復導致腔內壓力下降，從而激活CV #2，以平衡兩腔之間的壓力。當兩個腔室內都達到負表壓時，CV #1和CV #2都會閉合，CH #2內的真空壓力將成為從皮膚中提取ISF的驅動力。

圖3 ISF抽出系統的性能表征

為了評估葡萄糖傳感器的靈敏度，本研究首先在20 μM至1 mM的葡萄糖濃度范圍內對傳感器的性能進行了校準。在葡萄糖濃度較低（20 μM ~ 1000 μM）時，電極的靈敏度和檢測限（LOD = 3.3 σ/S，其中σ為傳感器響應的標準偏差，S為校準曲線的斜率）分別為0.254 μA/mM和5.6 μM。如圖4a、b所示，測量到的傳感器響應隨葡萄糖的添加而增加，呈現線性趨勢，相關系數為0.98，可進一步用于獲得校準曲線（圖4c）。結果表明，葡萄糖傳感器可以滿足葡萄糖監測的要求，其檢測范圍可以覆蓋人體血液中的正常葡萄糖水平（約4.4 mM ~ 6.6 mM），這實際上與ISF葡萄糖水平相同。在葡萄糖濃度為100 μM和5 mM時，測量電流的相對標準偏差（RSD）分別為1.22%和2.57%，表明傳感器具有可靠的檢測一致性。此外，傳感器在儲存七天后的功能偏差（RSD為2.9%）可忽略不計，這反映了酶固定的穩健性。

圖4 電化學傳感器的實驗表征

在進行體內實驗之前，本研究通過使用體外皮膚模型（模擬設想的ISF采集和生物傳感場景）擴展了VIES系統在ISF提取和傳感方面的特性。圖5a是用于活體外試驗的實驗裝置示意圖。為評估VIES系統的ISF提取能力，本研究將空心微針貼片按壓在新鮮皮膚樣本上，并將染有藍色染料的濾紙放入微流控室內以方便觀察，同時使用專用壓力傳感器監測真空發生系統內的壓力。如圖5b所示，在最初的10分鐘內，幾乎沒有液體進入微流控室。大約17分鐘后，ISF開始通過針頭上的微通道流向腔室。ISF流經微通道的延遲源于PC微針的疏水性。這個問題可以通過等離子處理得到部分解決，等離子處理會導致接觸角減小。但是，這種方法的主要問題是聚合物的疏水性會隨著時間的推移而恢復，因此這種方法不適用于連續監測裝置和使用前需要儲存一段時間的裝置。在真空條件下，由于體內外實驗中沒有ISF負壓，ISF在克服通道疏水性產生的流體動力阻力后很容易流過空心微針。

圖5 VIES系統的離體表征

如圖6所示，與體內外實驗類似，由于聚合物微通道的疏水性，一開始提取 ISF的速率非常低。大約16分鐘后，真空壓力超過了疏水性壓力屏障，ISF開始以更高的速率流入微流控室內。在體外實驗中，ISF在提取開始后幾分鐘內就充滿了微流控室；而在體內實驗中，ISF需要更長的時間才能充滿微流控室。這可能是因為在活體動物模型中ISF存在負壓，對ISF的提取產生了額外的阻力。從圖6b中可以看出，在收集的ISF樣品中沒有觀察到血液。根據以前的研究，真空給藥后延遲提取ISF有利于避免血液污染。通過比較圖5d、5e、5f 和圖6c、6d、6e中分別對應體內外實驗的數據，可以看出體內實驗的ISF收集率較低。其中一個原因可能是記錄了一小時的ISF采集率。

圖6 基于空心微針的VIES系統的體內ISF采集和傳感性能

綜上所述，本研究開發了一種可穿戴的真空集成ISF提取和傳感裝置，利用空心微針連續收集ISF。本研究制作了一種激光鉆孔聚合物空心微針貼片，可以輕松穿透皮膚并提取ISF。真空系統的特性研究表明，該系統能夠產生并維持足夠的真空壓力，以進行ISF采樣。參數研究表明，增加空心微針的數量和提高真空壓力會極大地影響ISF的收集量。VIES系統在大鼠模型上的成功應用表明，該裝置能夠通過簡單的手指單觸操作即可提取足夠量的 ISF。本研究提出的裝置具有簡單易用的ISF采集潛力，并能為將真空供電集成到基于ISF的可穿戴裝置中鋪平道路。






審核編輯：劉清