生物传感器是近几十年来引起广泛关注的医疗检测装置。然而，许多传感器的稳定性或便携性较差，并且传统的体液样品采集方法费力且耗时，因此限制了其在临床诊断方面的应用。微针是一种微创透皮装置，能够与小型电化学传感器相结合制备出各种生物分析平台，其技术已成为生物传感领域的重要方法，为改进现有生物传感器开辟了新道路。
据麦姆斯咨询报道，来自西南大学等机构的研究人员在《西南大学学报》上发表了题为“微针电化学传感器的最新研究进展”的综述，概述了微针电化学传感器的不同类型、传感构建模式及应用等方面的最新进展，并对近年研究报道的微针电化学传感器的优势和局限性进行了总结分析。
图1 微针电化学传感器的传感模式、制备材质以及临床应用
微针电化学传感器的材质与构建
作为组织间质液（ISF）的精准检测平台，微针最基本的特性是可以突破皮肤屏障，增强皮肤渗透性，以微创、无痛的方式接触ISF。随着微加工技术的不断革新，基于不同材质的微针被开发出来，因此所构建的微针传感器具有不同的物理性质。
目前，被用于制备微针电化学传感器的微针部分的材料主要有4类，分别是：金属材料、硅基材料、聚合物材料以及水凝胶材料（图2）。其中，金属材料和硅基材料的杨氏模量通常比聚合物材料高，因此微针的纵横比可以相对较大，制备出的微针尖端非常锋利，用以穿透皮肤屏障。另外，它们具有相对良好的导电性能。因此由这两类材料制成的微针被大量应用于电化学传感器领域。与前两类材料相比，高分子聚合物材料和水凝胶材料的机械强度相对较弱，所以将它们制成微针时通常采用较小的纵横比，以确保微针刺入人体皮肤后不会被损坏，虽然在机械强度方面略显不足，但其具有制备简单、结构多样、易于功能化等优势，因此基于聚合物或水凝胶的微针电化学传感器仍被大量探索及研发。
图2 不同材质的微针电化学传感器
微针电化学传感器的临床应用
得益于电化学传感器的高速发展，医疗检测水平得到了极大的提高。其中，基于微针的电化学传感器凭借其优良的灵敏度及便捷的操作流程，已经成为当下的研究热点（图3）。最近的研究表明，人体ISF中存在疾病生物标志物和外源性药物等成分，因此可以通过微针电化学传感器进行ISF提取或原位分析，这既缩短了检测时间，又简化了传统操作流程，从而协助医生进行即时诊断和治疗。
图3 微针电化学传感器的不同临床应用
（1）电解质及pH值
体液的一部分是电解质，能够维持体液中的水和酸碱平衡，保证人体内环境的稳定，维持各种酶的活性以及神经、肌肉的应激性，其主要包括钠、钾、氯、钙、镁及磷等。因此，监测体内电解质的浓度变化对于临床评估和诊断具有重要意义。目前，人体电解质检测的主要样本来源是血清、尿液和汗液。然而，针对以上样本的检测方式，既要求复杂的实验分析设备，还需要患者具有良好的依从性，并且耗时较长。相比之下，基于微针的电化学传感器则具有微创性和便捷性，因此其有望在持续健康监测方面取得一些新的突破。
（2）疾病生物标志物
疾病生物标志物是区分疾病状态与健康状态的指标。在现代医疗诊断领域中，对疾病生物标志物的准确检测，是实现复杂疾病早期诊断的有效方法。创新性生物标志物的发现对于新型治疗方法的成功开发和验证是至关重要的，具备疾病生物标志物透皮监测能力的可穿戴电化学传感器是用于即时疾病诊断的前沿研究平台。
（3）肌电信号
肌电信号是众多肌纤维中运动单元的动作电位在时间和空间上的叠加，长期、准确的肌电监测对神经肌肉系统疾病的检查、运动功能的评估以及生物反馈治疗均具有重要的意义。与传统的表面肌电监测设备相比，微针传感器能够突破皮肤角质层，有效降低阻抗，极大提升了监测的准确性。
（4）常规生化指标
生化检验是通过测量人体血液中基本物质的含量，将其与相关标准进行对比，从而得出机体的健康状态指数，为后续的诊断与治疗工作提供参考，生化检验最常见的检测指标有血脂、血糖、肝功能和肾功能等，与传统检验方法相比，基于微针的生物传感器的使用具有无痛、微创以及感染风险低等优点。
（5）血药浓度
临床治疗中某些副作用大且治疗窗窄的药物，需要定时进行血药浓度的检测。然而，目前用于检测患者血药浓度的分析方法需要采集血液样本并进行后续的实验室分析，十分耗时且繁琐。研究表明，ISF中的外源性药物浓度与血药浓度呈正相关，因此，基于微针的电化学传感器可通过微创的方式直接到达ISF，实现对目标分析物的实时监测。
总结与展望
虽然微针电化学传感器近年来发展迅速，但仍存在一些局限性和挑战：
（1）微针电极的检测稳定性与目前商业化的器件相比还有差距，经过一段时间的存储，许多微针电极对分析物的识别与响应能力下降，可能导致检测结果不准确。
（2）微针生物传感器作为医疗器械，必须对人体无害，在临床应用之前，传感器必须经过严格的毒性测试以及消杀灭菌。然而，传统的灭菌方式难以适应携带活性物质的精密传感器，这可能会降低目标物质的检测准确性。
（3）微针电化学传感器的防污性能也应当被包含在今后的主要研究之中，一些生物污垢、蛋白质或多糖等会吸附在电极上，使电极灵敏度下降，并且可能导致被检测的创口感染。
（4）微针需要根据皮肤力学性能精心设计，以确保在检测过程中不会断裂，人体皮肤的机械特性因年龄、性别和身体面积等不同因素而异，皮肤的黏度和弹性属于两种不同的机械特性，目前的微针电化学传感器的类型和材料还无法同时满足不同人群的皮肤状态，因此在检测过程中不可避免地发生微针断裂的情况，在未来的研究中，研究人员应当进一步优化不同材料的皮肤穿刺性能，确保微针传感器在检测过程中能够更加安全且高效。
（5）微针电极较大的比表面积会快速消耗其所携带的酶等活性物质，微针比表面积较大，因此与待测物质的接触面积较大，这有利于物质的快速转移和直接反应。但是，由于高活性物质很容易与待测物发生反应，并且微针的比表面积较大，使得这种反应更为迅速和剧烈。在实际操作中，这可能导致传感器电极中的活性物质浓度迅速下降，从而影响到分析结果的准确性与稳定性。
（6）微针传感器的制备需要精密的工艺流程，如MEMS加工技术，这使得它们的制作过程相对复杂，极大增加了制备成本。并且，由贵金属材料制成的微针电化学传感器，如金和钯等，进一步增加了整体成本，如何降低微针电化学传感器的生产成本，使之在将来能够规模化生产，值得我们去深入思考并进行相关探索。
（7）电源是限制生物传感器实时监测的关键，实时监测需要高频次、持久的数据记录和传输，这对能源提出了很高的要求，此外，新型功率器件在形状、尺寸和重量方面都需要小型化、轻量化，以适应长期佩戴。现在许多正在研究或商业化的监测设备仍使用普通化学电池来提供电力，通过消除设备中镉、锂和某些电解质等有毒材料的使用，确保设备的生物相容性也至关重要，基于机械运动、热梯度、环境光照度等能量收集有可能替代传统电源，但目前依靠它们来实现不间断供电仍是不太现实的。
总体而言，目前，许多基于微针的电化学传感器主要处于实验室研发阶段，但其已成为现代医疗诊断中极有前途甚至不可或缺的技术，为了应对当前存在的问题和挑战，需要来自不同领域的研究人员共同探索微针电化学传感器的应用，为其将来能够惠及大众投入更多资源和力量。
论文信息：
10.13718/j.cnki.xdzk.2024.06.001
