加州大學(xué)圣地亞哥分校Joseph Wang教授和Patrick P. Mercier教授在Nature子刊biomedical engineering (IF=29.234)上發(fā)表了題為 An integrated wearable microneedle array for the continuous monitoring of multiple biomarkers in interstitial fluid 的研究。

本研究報(bào)告介紹了一種全新的、完全集成的可穿戴微針陣列的開發(fā)與測試。這種陣列能夠無線、連續(xù)且實(shí)時(shí)地監(jiān)測日?；顒?dòng)中間質(zhì)液中的兩種代謝物（乳酸和葡萄糖，或酒精和葡萄糖）的含量。

在本篇文章中，作者全面而深入地闡述了可穿戴微針陣列檢測裝置的多個(gè)核心方面。這涵蓋了裝置所使用的材料、獨(dú)特的一次性微針陣列的設(shè)計(jì)與制造流程、生物傳感器的精細(xì)制備技術(shù)、微針陣列的力學(xué)特性分析、嚴(yán)格的滅菌與細(xì)胞毒性試驗(yàn)、電子系統(tǒng)的精細(xì)制造與組裝步驟、電化學(xué)傳感操作的詳細(xì)過程，以及電源控制技術(shù)和無線充電功能的實(shí)現(xiàn)。這些內(nèi)容在原文鏈接中有詳細(xì)的展現(xiàn)，為讀者提供了全面而深入的了解。

一個(gè)集多功能于一體的微針傳感系統(tǒng)，匯聚了多個(gè)傳感探頭和專屬電子裝置。這個(gè)綜合體系由九個(gè)差異化的子單元構(gòu)成，涵蓋了如保護(hù)帽、充電繞組、能源電池以及微針陣列等。這些單元被精心組合為兩大核心部分：“即用型傳感器”和“可循環(huán)電子裝備”。當(dāng)佩戴者的間質(zhì)液中的分子級電化學(xué)信號被微針尖端所捕獲時(shí)，這些信號會(huì)經(jīng)過特別設(shè)計(jì)的低噪音、可循環(huán)使用的電子設(shè)備進(jìn)行無線傳輸，直達(dá)佩戴者的移動(dòng)手機(jī)APP進(jìn)行直觀的數(shù)據(jù)解析。

傳感器系統(tǒng)的電子設(shè)備兼具功能性、緊湊性與低功耗特性。作者精心優(yōu)化了微電極的尺寸、幾何形態(tài)及配置，同時(shí)合理調(diào)控了參比電極比率，確保機(jī)械穩(wěn)定性與分析性能的最大化。

微針尖端集成了乳酸、酒精和葡萄糖生物傳感器。傳感器的最內(nèi)層采用聚鄰苯二胺（PPD），中層則融合了殼聚糖與相應(yīng)的氧化酶，而最外層則以聚氯乙烯（PVC）作為擴(kuò)散限制外膜。這一微針生物傳感器在特定的動(dòng)態(tài)范圍內(nèi)，對三種目標(biāo)分析物的檢測展現(xiàn)出卓越性能。具體來說，葡萄糖的檢測范圍為0-40 mM，乳酸的檢測范圍為0-28 mM，而酒精的檢測范圍則為0-100 mM。

（1）單個(gè)分析物傳感器的體內(nèi)性能

實(shí)驗(yàn)被劃分為兩大組。第一大組主要針對五名不同的參與者，對他們進(jìn)行乳酸、血糖和酒精的監(jiān)測。第二大組則專注于對單一參與者進(jìn)行多指標(biāo)的監(jiān)測。

具體來說，a-d組的研究集中在五名參與者在經(jīng)過4分鐘高強(qiáng)度運(yùn)動(dòng)后休息期間的乳酸傳感器性能上。同時(shí)，進(jìn)行了乳酸血液驗(yàn)證，并繪制了相應(yīng)的曲線圖。為了對比數(shù)據(jù)，選擇了血乳酸測定儀（NOVA Biomedical）作為對照組。此外，還研究了這五名參與者在同一膳食攝入事件后的葡萄糖傳感器性能，并進(jìn)行了血糖驗(yàn)證。對照組使用了呼氣測試儀（BACtrack S80 Pro）。關(guān)于酒精傳感器性能的研究，同樣涉及了五名參與者，并繪制了相應(yīng)的圖表，對照組選用了血糖儀（ACCU-CHEK）。

e-h組則聚焦于單一（同一）參與者在上述情況下乳酸、血糖和酒精的監(jiān)測。通過對該參與者的持續(xù)監(jiān)測，我們獲得了詳細(xì)的數(shù)據(jù)并繪制了相應(yīng)的圖表。

（2）多重傳感器的體內(nèi)性能

實(shí)驗(yàn)a利用酒精-葡萄糖傳感器，對參與者在飲酒后（iA）和用餐后（iB）的血糖和酒精水平進(jìn)行了持續(xù)監(jiān)測，并據(jù)此繪制了相應(yīng)的動(dòng)態(tài)變化曲線圖。而實(shí)驗(yàn)b則借助乳酸-葡萄糖復(fù)合傳感器，對參與者在運(yùn)動(dòng)后（iA）和進(jìn)食后（iB）的乳酸和血糖水平進(jìn)行了實(shí)時(shí)監(jiān)控，并繪制了相應(yīng)的變化曲線圖。

作者深入研究了全新的可穿戴微針技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了對間質(zhì)液中生物分子的低成本、無痛、連續(xù)、實(shí)時(shí)及同步測量。該技術(shù)利用專門設(shè)計(jì)的電子設(shè)備收集數(shù)據(jù)，并通過無線方式將數(shù)據(jù)傳輸至附帶的智能手機(jī)應(yīng)用進(jìn)行記錄與可視化。為了驗(yàn)證這一可穿戴設(shè)備的性能，作者監(jiān)測了佩戴者在日常生活中的各種行為，如運(yùn)動(dòng)、食物和酒精攝入等外部刺激，與體內(nèi)乳酸、酒精和葡萄糖水平變化之間的相互關(guān)系。

同時(shí)，該技術(shù)還與臨床上常用的標(biāo)準(zhǔn)檢測方法進(jìn)行了對比，進(jìn)一步證明了其有效性。這一創(chuàng)新技術(shù)不僅解決了傳統(tǒng)可穿戴設(shè)備在表皮汗液測量方面的局限性，還克服了連續(xù)葡萄糖監(jiān)測（CGM）的侵入性和單一分析物的問題，實(shí)現(xiàn)了對人體多種生物標(biāo)記物的無痛、非侵入性同步監(jiān)測。