微振動輔助雙層螺旋微針快速提取真皮間質(zhì)液用于葡萄糖的微創(chuàng)檢測

作為現(xiàn)代醫(yī)學(xué)診斷體系的核心載體，血液分析憑借其生理指標的全譜系覆蓋能力，在疾病篩查、療效評估等臨床場景中持續(xù)承擔關(guān)鍵功能，但仍面臨著雙重問題：其一，靜脈穿刺作為侵入性操作易引發(fā)患者痛感體驗與潛在醫(yī)源性感染風(fēng)險；其二，在資源有限地區(qū)難以普及。盡管唾液、汗液等新興替代性樣本源在無創(chuàng)檢測領(lǐng)域展現(xiàn)應(yīng)用潛力，但其內(nèi)源性生物標志物濃度顯著低于血液基質(zhì)，加之復(fù)雜基質(zhì)效應(yīng)對檢測靈敏度的衰減作用，難以滿足精準醫(yī)療對痕量標志物的定量檢測要求。

間質(zhì)液（ISF）作為人體循環(huán)系統(tǒng)的重要組成部分，是以無色透明液態(tài)形式存在于血管外與細胞間隙的體液介質(zhì)，在維持組織微環(huán)境穩(wěn)態(tài)中承擔著關(guān)鍵物質(zhì)運輸功能。然而傳統(tǒng)ISF采集技術(shù)存在明顯局限性，吸皰法通過負壓刺激表皮分離、超聲透皮法則依賴物理能量穿透皮膚屏障，二者均會破壞角質(zhì)層完整性并造成局部組織損傷，導(dǎo)致樣本污染風(fēng)險與創(chuàng)面愈合問題。在此背景下，微針技術(shù)憑借其生物相容性優(yōu)勢實現(xiàn)了技術(shù)突破，以微米級針體無痛穿透角質(zhì)層屏障，在確保真皮層結(jié)構(gòu)完整性的前提下完成ISF精準捕獲，區(qū)別于傳統(tǒng)皮下注射針具的侵入式操作方式。

當前水凝膠材料在可溶脹微針研發(fā)領(lǐng)域已取得系列進展，但現(xiàn)有技術(shù)普遍存在體液提取效率瓶頸，單次采集耗時長達10至15分鐘且提取量僅有3-5mg?；诖?，南昆士蘭大學(xué)與伯明翰大學(xué)研發(fā)團隊創(chuàng)新性地開發(fā)出兩種螺旋構(gòu)型可溶脹微針陣列（MNs）：甲基丙烯酰化明膠/聚乙烯醇（GelMA/PVA）MNs和聚乙烯醇/聚乙烯吡咯烷酮/透明質(zhì)酸（PVA/PVP/HA）MNs，通過材料協(xié)同效應(yīng)實現(xiàn)間質(zhì)液快速捕獲。

相關(guān)研究以“Micro-vibration assisted dual-layer spiral microneedles to rapidly extract dermal interstitial fluid for minimally invasive detection of glucose”為題發(fā)表在國際期刊《microsystems & nanoengineering》上。

根據(jù)實驗數(shù)據(jù)顯示，兩種MNs在ISF環(huán)境中10分鐘內(nèi)即達到560±79.6%與370±34.1%的顯著溶脹率，突破性地將傳統(tǒng)技術(shù)所需的體液提取時間壓縮至10分鐘以內(nèi)，展現(xiàn)出在實時診斷領(lǐng)域替代傳統(tǒng)血液檢測技術(shù)的工程應(yīng)用潛力。

MNs采用螺旋結(jié)構(gòu)設(shè)計，通過整合0.15mm和0.20mm兩種規(guī)格的方形單元構(gòu)建而成。單元間距為0.4mm，針尖與基座均設(shè)計為圓形結(jié)構(gòu)。初始設(shè)計的MNs高度為1mm，針尖直徑0.02mm，基座直徑0.3mm，針間距設(shè)定為0.40mm。這種螺旋結(jié)構(gòu)的主要優(yōu)勢在于其互鎖特性可提升ISF提取效率——螺旋設(shè)計增加的結(jié)構(gòu)頂點數(shù)能增強穿刺穩(wěn)定性，降低使用過程中的位移風(fēng)險。相較于傳統(tǒng)錐形結(jié)構(gòu)，螺旋造型還能提供更大的接觸表面積，在MNs回撤時形成更多流體附著面，從而提高提取效能。

研究團隊采用摩方精密面投影微立體光刻（PμSL）3D打印技術(shù)（microArch® S240，精度：10μm），在12mm×12mm基座上采用耐高溫材料（HTL）打印出15×15 MNs模具。隨后，基于主模具制作的PDMS負模成功翻模出GelMA/PVA和PVA/PVP/HA MNs。

此外，本研究還提出了一種創(chuàng)新方法，將MNs與定制涂藥器相結(jié)合，通過50–100Hz的振動頻率提高皮膚穿透效率，從而在離體實驗中增強ISF的提取效果。這種動態(tài)組合使GelMA/PVA MNs在短短5分鐘內(nèi)快速提取6.41±1.01mg ISF，而PVA/PVP/HA MNs在同一時間內(nèi)提取5.38±0.77mg ISF。

為驗證MNs對目標生物標志物（葡萄糖）的回收能力，研究采用溫和加熱處理，隨后使用D-葡萄糖含量檢測試劑盒測定葡萄糖濃度。螺旋MNs高效的ISF提取及葡萄糖檢測能力表明其在快速、微創(chuàng)生物標志物傳感領(lǐng)域具有潛在應(yīng)用價值，為精準醫(yī)療時代的新型診斷技術(shù)發(fā)展提供了重要技術(shù)路徑。