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(zhì)液（ISF）是一種豐富的生物標(biāo)記物來源，是對血液和尿液等傳統(tǒng)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(guān)，因此有望取代目前基于血液的金標(biāo)準(zhǔn)診斷。與血液相比，ISF具有多種優(yōu)勢，包括可通過皮膚廣泛獲取、可采用無創(chuàng)或微創(chuàng)采樣方法以及凝血因子的部分存在，因此有利于對生物標(biāo)記物進(jìn)行連續(xù)監(jiān)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(zhì)，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(zhàn)性的任務(wù)。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(guān)注。

近期，來自土耳其科奇大學(xué)（Ko? University）的Levent Beker團(tuán)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(xù)采樣和檢測真皮層ISF。所開發(fā)的真空集成ISF提取和傳感（VIES）平臺可產(chǎn)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(yī)療應(yīng)用。真空系統(tǒng)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(xù)時間對收集到的ISF的影響進(jìn)行了參數(shù)研究。通過對動物模型中ISF的葡萄糖和pH值進(jìn)行電化學(xué)檢測，進(jìn)一步證明了所提議的平臺具有連續(xù)健康監(jiān)測的能力。這種基于激光鉆孔空心微針的系統(tǒng)為醫(yī)療診斷和治療提供了一種替代現(xiàn)有侵入性ISF收集和傳感技術(shù)的工具。相關(guān)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(fā)表在國際著名期刊Advanced Materials上。

該VIES系統(tǒng)由四部分組成，包括：（a）真空發(fā)生室和液體萃取室；（b）集成絲網(wǎng)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?。灰约埃╠）自主開發(fā)的印刷電路板，用于信號采集和通過藍(lán)牙模塊進(jìn)行數(shù)據(jù)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(xiàn)場ISF分析。圖1b展示了VIES系統(tǒng)三個主要部分的特寫圖。測量數(shù)據(jù)可通過向電子設(shè)備無線傳輸電化學(xué)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(wǎng)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(fā)生系統(tǒng)由三個主要部分組成：（1）真空發(fā)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(guān)閉狀態(tài)。這就在腔室中產(chǎn)生了負(fù)壓，由于已建立的壓力梯度，打開了CV #2，關(guān)閉了CV #1（圖1g）。當(dāng)液體吸收室和真空發(fā)生室達(dá)到平衡壓力時，兩個被動閥都會關(guān)閉，因為與大氣壓力相比，腔室的壓力較低。產(chǎn)生的負(fù)壓有助于通過空心微針將ISF抽取到微流控室內(nèi)（圖1h、1i）。使用CV #2 可以連續(xù)按壓真空發(fā)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(tǒng)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(xué)傳感的可穿戴裝置圖解

空心微針貼片采用傳統(tǒng)的成型技術(shù)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(xì)形態(tài)特征，這些特征分別用光學(xué)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(fēng)險，空心微針設(shè)計為側(cè)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(wěn)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(chǎn)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(dá)到1.5毫米的位移（相當(dāng)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(jié)構(gòu)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(fā)生腔室（CH #1）和ISF抽取腔室（CH #2））內(nèi)放置了壓力傳感器，以便在表征實驗過程中監(jiān)測壓力曲線。如圖 3a（i）所示，由于CH #1內(nèi)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(fù)導(dǎo)致腔內(nèi)壓力下降，從而激活CV #2，以平衡兩腔之間的壓力。當(dāng)兩個腔室內(nèi)都達(dá)到負(fù)表壓時，CV #1和CV #2都會閉合，CH #2內(nèi)的真空壓力將成為從皮膚中提取ISF的驅(qū)動力。

圖3 ISF抽出系統(tǒng)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(nèi)對傳感器的性能進(jìn)行了校準(zhǔn)。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(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)偏差，S為校準(zhǔn)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(yīng)隨葡萄糖的添加而增加，呈現(xiàn)線性趨勢，相關(guān)系數(shù)為0.98，可進(jìn)一步用于獲得校準(zhǔn)曲線（圖4c）。結(jié)果表明，葡萄糖傳感器可以滿足葡萄糖監(jiān)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(biāo)準(zhǔn)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(wěn)健性。

圖4 電化學(xué)傳感器的實驗表征

在進(jìn)行體內(nèi)實驗之前，本研究通過使用體外皮膚模型（模擬設(shè)想的ISF采集和生物傳感場景）擴展了VIES系統(tǒng)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(tǒng)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(lán)色染料的濾紙放入微流控室內(nèi)以方便觀察，同時使用專用壓力傳感器監(jiān)測真空發(fā)生系統(tǒng)內(nèi)的壓力。如圖5b所示，在最初的10分鐘內(nèi)，幾乎沒有液體進(jìn)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(jīng)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(dǎo)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(fù)，因此這種方法不適用于連續(xù)監(jiān)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(nèi)外實驗中沒有ISF負(fù)壓，ISF在克服通道疏水性產(chǎn)生的流體動力阻力后很容易流過空心微針。

圖5 VIES系統(tǒng)的離體表征

如圖6所示，與體內(nèi)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(nèi)。在體外實驗中，ISF在提取開始后幾分鐘內(nèi)就充滿了微流控室；而在體內(nèi)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(fù)壓，對ISF的提取產(chǎn)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(jù)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(yīng)體內(nèi)外實驗的數(shù)據(jù)，可以看出體內(nèi)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(tǒng)的體內(nèi)ISF采集和傳感性能

綜上所述，本研究開發(fā)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(xù)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(tǒng)的特性研究表明，該系統(tǒng)能夠產(chǎn)生并維持足夠的真空壓力，以進(jìn)行ISF采樣。參數(shù)研究表明，增加空心微針的數(shù)量和提高真空壓力會極大地影響ISF的收集量。VIES系統(tǒng)在大鼠模型上的成功應(yīng)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