基于微針的生物醫學系統的設計、制造和應用研究進展

可穿戴設備因其便攜性和在醫療保健生物標志物監測方面的潛在實用性而備受關注。微針（MN）可以穿過皮膚屏障進入組織液（ISF），是一種用于透皮傳感和藥物遞送的很有前景的微創技術。微針有潛力克服傳統透皮給藥的局限性，使其成為繼口服和注射之后另一種有前景的給藥方式。

近日，來自上海理工大學的朱志剛教授團隊對微針在生物醫學系統中的應用進展進行了全面分析，總結了該領域的最新研究成果，為微針醫療保健應用中需要解決的問題提供參考。相關論文以“Advances in Biomedical Systems based on Microneedles: Design, Fabrication, and Application”為題在線發表在Biomaterials Science期刊上。

圖1微針在傳感和給藥方面的應用以及構建治療系統的前景

首先，作者對微針作為生物醫學系統中新興和有價值的工具的優勢做了討論。

（1）微針提供了一種以患者為中心的替代傳統藥物管理技術，減少了注射的必要性并促進了治療依從性。

（2）擴大獲得更安全、更有效的疫苗接種的機會。

（3）推動POCT的發展。診斷設備中的微針使生物標志物的非侵入性和實時檢測成為可能，從而增強了醫療保健監測過程。

（4）將微針與個性化醫療相結合，為個性化治療策略開辟了新的領域。

（5）基于微針的組織工程有助于細胞和生長因子的精確透皮給藥，從而促進傷口愈合和組織再生的過程。

根據有無空腔和空腔類型，微針可分為空心微針、實心微針、包覆微針和多孔微針。作者總結了微針的分類、設計和制造。

圖2微針的分類、設計和制造

隨后，作者提供了微針在傳感應用方面的最新進展。微針提供了一種快速而直接的方法來獲取間質液中的生物標志物并獲得有價值的診斷信息。使用微針從真皮層取樣間質液包括三步過程：間質液通過皮膚流向微針，間質液的分配以及間質液通過微針轉運到人體皮膚表面。

圖3基于微針的透皮傳感應用

透皮給藥（TDD）由于其無痛、無創、直接等優點，是一種比皮下注射更被患者廣泛接受的替代給藥方法。微針可以穿透皮膚角質層，形成微通道，增強大分子藥物的皮膚滲透性。因此，除了提取間質液和分析生物標志物外，微針還被用于控制或自主的疫苗和藥物的透皮給藥，這些疫苗和藥物不能通過常規透皮給藥和其他途徑遞送。作者總結了基于微針的藥物和疫苗遞送（圖4）、刺激反應性微針（圖5）以及基于微針的生物醫學治療系統的開創性和代表性研究（圖6）。

圖4 微針在透皮給藥中的應用

圖5 基于微針的刺激反應性藥物遞送

圖6 基于微針的治療診斷系統

目前基于微針的醫療保健研究到下一代可穿戴設備的主要努力方向是主要包括：

（1）通過刺激反應材料控制藥物釋放的微針的開發。

（2）微針與先進的生物傳感和診斷平臺的集成，如可穿戴設備和護理點檢測。

（3）嘗試建立治療的感覺-行為系統，實現個性化治療，最大限度地提高患者的生活質量。

此外，為了有效利用微針的診斷和治療潛力，解決各種現有的困難是至關重要的。由于皮膚彈性、厚度、個體特征等因素對穿刺深度和全面性的潛在影響，實現可靠的皮膚穿透和有效的針-組織耦合是一個很大的障礙。優化微針幾何參數設計，改進微針制造方法，開發通用涂抹器可能是確保一致和有效的皮膚穿透的必要條件。在基于微針的診斷中，可重復的絕緣、封裝和傳感器修改協議是技術挑戰之一。微針傳感領域的另一個障礙是解決微針在人體上長期操作的生物污染和異物反應問題。

審核編輯：劉清