导读

个性化医疗的快速发展推动了可穿戴生物医学设备的开发，用于实时生物标志物监测和诊断。传统的侵入性血液诊断既痛苦又只能提供偶尔的健康评估。为了解决这些局限性，微针传感平台应运而生，利用间质液（ISF）作为连续健康监测的替代生物液体，具有微创和无痛的特点。本综述旨在全面概述微针传感器技术，涵盖微针设计、制造方法和传感策略。此外，文章还探讨了监测电子设备的集成，以实现持续的体内监测。介绍了微针传感平台在监测和治疗方面的代表性应用，以及其革命性改变个性化医疗的潜力。最后，讨论了微针技术的挑战和未来前景。

图文摘要

01. 介绍

图1. 微针传感平台概述。

02. 微针传感平台概述

图2. 皮肤层结构示意图。

03. 微针设计

图3. 微针设计。A 微针结构设计的考虑因素；B 微针结构的设计参数；C 微针制造技术的类型；D 通过深反应离子蚀刻工艺制备的硅微针阵列的扫描电子显微镜（SEM）图像；E 通过激光切割和弯曲工艺制备的不锈钢微针阵列的SEM图像；F 通过微模塑制备的聚苯乙烯微针贴片的光学图像；G 二次光聚合3D打印微针阵列的SEM图像。

04. 传感策略

图4. 电化学微针传感器平台。A 基于安培酶传感器机制的示意图；B 集成了葡萄糖氧化酶的微针葡萄糖传感器；C 微针葡萄糖传感器在葡萄糖注入下的安培响应；D 基于电位离子选择膜（ISM）传感器机制的示意图；E ISM改性微针Na⁺和K⁺传感器；F Na⁺传感器在Na⁺浓度增加时的电位响应；G 基于伏安适体传感器的示意图；H 适体结合的多重微针传感器；I 随着Irinotecan和Doxorubicin浓度增加的伏安响应。

图5. 光学微针传感器平台。A 荧光传感器机制的示意图；B 荧光染料修饰的微针内毒素传感器；C 随着LPS浓度增加的荧光响应；D 比色传感器机制的示意图；E 色谱试剂修饰的微针多重传感器；F 随着尿酸浓度增加的比色响应；G 等离子体传感器机制的示意图；H 基于等离子体的微针尿酸传感器；I 随着尿酸浓度增加的表面增强拉曼光谱（SERS）响应。

图6.集成策略。A 微针外部集成方法；B 与吸引辅助微流体传感系统结合的中空微针；C 传感器设备的照片；D 集成了可膨胀聚合物微针阵列的离子选择电化学传感器；E 离子选择传感器和微针阵列的照片；F 微针内部集成方法；G 使用酪氨酸酶修饰的糊状物的微针基左旋多巴（L-Dopa）传感器；H 填充了酪氨酸酶修饰糊状物的中空微针照片；I 涂有金和聚噻吩羧酸-葡萄糖氧化酶（pTCA-GOx）层的微针葡萄糖传感器；J 微针上Au/pTCA-GOx层的SEM图像。插图显示pTCA-GOx沉积前的Au涂层微针。

图7.监测电子设备。A 监测电子设备的主要功能；B 基于智能手机的集成微针传感平台，用于电化学葡萄糖检测；C 基于智能手机的集成平台示意图；D 硬币大小的连续葡萄糖监测系统；E 集成微针（MN）-智能手机核酸扩增平台。

05. 应用

图8.监测应用。A 用于连续和多重检测的微针传感贴片；B 微针传感贴片的照片；C 使用集成微针传感贴片在间质液中对酒精、乳酸和葡萄糖的连续监测；D 用于治疗药物监测的微针传感器；E 附着在大鼠上的治疗药物监测微针贴片的照片；F 微针传感器对不同托布霉素剂量的响应；G 用于监测脂多糖诱导的免疫反应的微针贴片；H 脂多糖注射后IL-6传感微针的荧光响应。I IL-6的浓度通过酶联免疫吸附测定（ELISA）（灰色，血清）和微针传感器（蓝色，间质液）在生理盐水和脂多糖处理后测量。

图9. 集成治疗。A、B 用于实时葡萄糖监测和原位胰岛素治疗的集成微针平台的示意图（A）和照片（B）；C 糖尿病大鼠上的微针葡萄糖传感器和胰岛素释放微针的照片；D 通过实时测量葡萄糖水平对糖尿病大鼠进行胰岛素控制输送；E、F 用于连续葡萄糖监测和胰岛素输送的迷你化闭环微针贴片的示意图（E）和照片（F）；G 使用集成微针贴片对糖尿病大鼠进行闭环胰岛素治疗的效果；H 用于生物传感和电刺激的集成微针平台；I 由眼球运动产生的电压差的测量；J 使用微针对猪肌肉进行电刺激。

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https://link.springer.com/article/10.1007/s44258-024-00028-0

引用格式

Kim, G., Ahn, H., Chaj Ulloa, J. et al. Microneedle sensors for dermal interstitial fluid analysis. Med-X 2, 15 (2024). https://doi.org/10.1007/s44258-024-00028-0

作者简介

金廣默 (Gwangmook Kim)，加州理工学院（Caltech）医学工程系的博士后研究员，师从高伟教授。于2021年获得延世大学材料科学与工程专业博士学位。他目前的研究重点是基于微针的生物传感技术，包括基于酶和适配体的电化学传感器，以及高分辨率微针制造技术.

高伟，加州理工学院医学工程教授和Ronald and JoAnne Willens特聘教授，2014年从加州大学圣地亚哥分校获得化学工程博士学位。2014年至2017年期间，在加州大学伯克利分校开展博士后工作研究。曾获评美国自然科学基金委杰出青年奖、海军研究总署青年科学家奖、斯隆研究奖、IEEE医学与生物学工程学会青年成就奖，IEEE传感器理事会技术成就奖，世界经济论坛青年科学家等诸多奖项，入选麻省理工技术评论“35岁以下科技创新35人”全球榜单。他的研究方向包括可穿戴设备、生物传感器、柔性电子、微纳机器人与纳米医学等。