“微针+纸基微流控”可穿戴系统，零功耗采集间质液用于即时诊断
2025-09-13 09:34:02   来源：麦姆斯咨询   评论：0   点击：

可穿戴和即时诊断（POCT）技术在非中心实验室生物标志物监测方面展现出令人兴奋的潜力，但仅有少数成果能转化为支持临床决策及生活方式管理的实际应用，持续血糖监测仪（CGM）便是为数不多的成功案例之一。

对于POCT健康监测而言，间质液（ISF）是比汗液更具吸引力的诊断介质。这种位于细胞间隙的细胞外液，是血液生物标志物的理想替代物。间质液作为毛细血管和细胞间的主要传输介质，能以极小的时滞反映血液分子的变化。通过测量间质液中葡萄糖浓度的持续血糖监测仪，已通过成功商业化证明了临床有效性。此外，间质液在蛋白质多样性方面与血液几乎相同，表明多种生物标志物可在间质液中监测。已有报道的研究表明，90～99%的血液蛋白存在于间质液中。蛋白组学分析还证明，间质液中存在一些在血液中未发现的蛋白质，表明这种生物液体能够提供独特的诊断机遇。

尽管间质液对于可穿戴和POCT健康监测极具吸引力，但由于缺乏微创、无痛且可穿戴获取和/或采集间质液并分析的方法，它仍然未被充分利用。传统的间质液采集技术的侵入性和高成本仍阻碍着通用间质液诊断的实现，因此亟需开发替代工具来采集和分析间质液。

近年来，微针（MN）已成为以最小侵入性方式获取真皮间质液的一种有前景的方法。微针通常长度为300～1000 μm，可以穿透角质层和活性表皮层，同时避开富含痛觉感受器和血管的深层真皮区域。这使得利用微针采集间质液时疼痛感最小，血液干扰可忽略不计，组织损伤或疤痕风险也很小。此外，微针可以使用可扩展的微加工或微模塑方法生产，并且可以与柔性基底结合以支持可穿戴形式。

将微针与微流控平台集成，能够有效改善样本处理并与体外生物传感兼容，特别是对于很难在原位检测或存在安全隐患的传感策略。纸基和聚合物微流控器件因其低成本、易于制造以及与POCT格式的兼容性而具有特别吸引力。然而，许多集成系统依赖于主动液体采集机制或多层微流控架构，这可能会阻碍其可扩展性，并限制它们在非中心实验室诊断测试等转化应用中的适用性。

据麦姆斯咨询介绍，美国北卡罗来纳州立大学的研究人员开发了一种基于微针和纸基微流控的可穿戴系统，该系统集成了凝胶微针、纸基微流控和产生渗透压的水凝胶，能够实现间质液的零功耗采集和储存，可用于临床诊断应用（图1a–c(ii)）。该研究成果已经以“Design and characterization of a self-powered microneedle microfluidic system for interstitial fluid sampling”为题发表于近期的Lab on a Chip期刊。

间质液采集系统示意图，初步评估液体采集和皮肤模型穿透情况。a）应用于人体皮肤的间质液采集系统示意图，显示了器件内部液体传输的不同机制。b）间质液采集系统的分解视图，系统各组件均有标注。c） i）纸基微流控和微针贴片；ii）应用于人体前臂的完整间质液采集系统；d）施加微针和移除后的皮肤模型照片；e）微针在荧光染料作用下随时间膨胀的图像；f）微针在去离子水和标准磷酸盐缓冲液（n=6）作用下的量化膨胀；g）单个微针贴片的扫描电子显微镜图像。

该微针由甲基丙烯酸化透明质酸（MeHA）制成，甘油负载的聚丙烯酰胺水凝胶用作渗透泵，为间质液采集产生被动负压。分析滤纸被切割成微流控通道，通过毛细作用促进间质液传输，保存采集的生物标志物用于样本储存，并与原位生物传感器和检测集成，实现实时POCT诊断。

评估流体和分析物采集速率的实验设置和结果

纸基微流控的制造

该纸基微流控系统由一个主纸通道（Whatman®级别1色谱纸）、末端吸水垫、顶部亲水传输膜、底部聚合物基材以及中间的粘合间隔带组成。所有组件均在SolidWorks 2023中设计。主纸通道使用激光切割机切割成型。切割后，纸基微流控系统浸泡在水中20分钟，然后在50 °C下干燥约1小时，以去除激光切割过程中残留的污染物。亲水传输膜和间隔带使用可编程切割机切割。然后通过轻微的机械压力将纸基微流控组件密封在一起。

研究人员对多种渗透泵和纸基微流控配置下皮肤模型的流体和分析物采集进行了表征。通过从合成皮肤模型中回收皮质醇，验证了其作为诊断工具的功能。皮质醇在代谢、免疫活性和应激反应中起着关键作用，在应激情况下由肾上腺快速分泌。及时量化皮质醇可能有助于消除压力源并改善健康。利用ELISA进行的定量验证证实，在系统应用的两个时间段（短时间15-45分钟和长时间24小时）内，该纸基微流控系统均能准确回收生物标志物。这支持了该系统在被动POCT健康监测方面的潜力。

使用微针采集系统从皮肤模型中回收皮质醇

结论

这项研究成果展示了基于微针和纸基微流控的可穿戴平台，在最小侵入性间质液采集和皮质醇采样方面的可行性。该平台采用被动渗透泵机制与纸基微流控技术相结合，能够实现快速液体摄取、通过纸基微流控通道的稳定横向传输，并利用皮肤模型在生理相关浓度范围内实现皮质醇的可量化回收。值得注意的是，在较短的采集时间内，观察到皮肤模型浓度与回收分析物之间存在强相关性，这支持了该系统在快速、体表POCT应用方面的潜力。

未来，该系统与生物传感技术的集成有望实现实时、无标记检测，为分析物稳定性、传输动力学和间质液时间动态提供新见解。此外，该平台的被动、零功耗运行、低成本制造以及与柔性基底的兼容性，突出了其在可穿戴健康监测系统中大规模部署的潜力。总体而言，这项成果为开发下一代、微创POCT诊断技术奠定了基础，在传统临床环境之外实现连续生化监测。

论文链接：https://doi.org/10.1039/D5LC00590F

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