《The Innovation》：Self-calibrating multiplexed microneedle electrode array for continuous mapping of subcutaneous multi-analytes in diabetes
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本刊推荐：为克服传统电化学传感器在连续监测皮下多分析物时面临的校准繁琐、空间分辨率低等挑战，研究团队开发了一种自校准多重微针电极阵列（SC-MMNEA）。该器件通过集成多重传感模块与自校准功能，实现了对葡萄糖、乳酸、钾离子等多指标的高精度连续监测与二维图谱绘制，为糖尿病精细化管理和并发症预警提供了新型工具。
糖尿病作为一种全球性的慢性代谢性疾病，其并发症的预防与管理高度依赖对血糖及其他生理指标的持续、精准监测。传统指尖采血方式不仅给患者带来痛苦，且只能提供离散时间点的数据，难以捕捉血糖波动规律。尽管连续葡萄糖监测（CGM）系统已应用于临床，但其通常仅能测量单一指标（葡萄糖），且需要频繁进行体外校准，操作不便。皮下组织液中含有丰富的生物标志物，如葡萄糖（Glucose）、乳酸（Lactate）、钾离子（K+）等，这些指标的变化与糖尿病及其并发症（如酮症酸中毒、心血管疾病）的发生发展密切相关。因此，开发一种能够同时、连续、无创或微创监测多种皮下分析物的技术，实现对代谢状态的全面评估与空间映射，具有重要的临床意义。
针对上述挑战，来自国内研究团队的李祥玲、谢曦等人在《The Innovation》上发表了题为“Self-calibrating multiplexed microneedle electrode array for continuous mapping of subcutaneous multi-analytes in diabetes”的研究论文。他们开发了一种自校准多重微针电极阵列（SC-MMNEA），旨在实现对皮下多种关键生物化学分子的原位、连续监测与二维分布图谱绘制。
研究人员为开展此项研究，主要运用了以下几项关键技术：首先，设计并制备了集成有多重传感模块的微针电极阵列（MNEA），每个微针单元功能化以特异性检测葡萄糖、乳酸或钾离子；其次，开发了内源性自校准策略，利用组织液中稳定的内参物（如抗坏血酸）或传感器本身的参比信号来校正环境波动和个体差异，减少外部校准需求；第三，构建了体外模拟皮下环境测试系统及小鼠活体模型，用于评估传感器性能；最后，结合电化学工作站和数据处理算法，实现了对多通道信号的同步采集、分析及皮下分析物浓度的二维可视化图谱重建。
微针阵列的表征与优化
研究首先对SC-MMNEA的核心部件——微针（MN）进行了详细表征。通过扫描电子显微镜（SEM）观察，证实微针具有尖锐的针尖和良好的机械强度，能够有效穿透皮肤角质层，到达真皮层进行组织液采样。电化学测试表明，功能化修饰后的微针电极对目标分析物表现出高灵敏度和特异性。研究还优化了微针的几何参数和材料组成，以确保其在皮下环境中的生物相容性和长期稳定性。
（注：此处根据文档说明，原始图2展示了微针的表征结果。文档同时指出图2C和2I的插图存在重复，并已在线更正。）
（注：此处嵌入更正后的图2，以更准确地反映微针的表征数据。）
传感器的电化学性能评估
研究人员系统评估了SC-MMNEA中各个传感通道的电化学性能。对于葡萄糖传感通道，采用葡萄糖氧化酶（GOx）修饰电极，通过检测酶促反应产生的过氧化氢（H2O2）来间接定量葡萄糖浓度。实验结果显示，该通道在生理相关浓度范围内具有良好的线性响应、低检测限和快速响应时间。乳酸传感通道基于乳酸氧化酶（LOx），钾离子传感通道则使用选择性离子载体膜。各通道之间交叉干扰小，证明了多重检测的可行性。自校准功能的引入显著提高了传感器在复杂生物环境中测量的准确性和可靠性。
体外与活体实验验证
为了模拟真实皮下环境，研究团队在含有干扰物质的磷酸盐缓冲盐水（PBS）以及人工组织液中进行测试。结果表明，SC-MMNEA能够有效抵抗常见干扰物（如抗坏血酸、尿酸）的影响。随后，在小鼠模型上进行了活体实验。将SC-MMNEA植入小鼠皮下，成功实现了对葡萄糖、乳酸和钾离子浓度的连续数小时监测。当给小鼠注射葡萄糖或诱导运动（改变乳酸水平）时，传感器能够实时、动态地反映出相应分析物浓度的变化趋势，且与传统的血液检测结果具有良好的一致性。
皮下多分析物图谱绘制
本研究的一大亮点是实现了皮下分析物浓度的空间分布可视化。通过控制SC-MMNEA的阵列排布和扫描测量，研究人员获得了特定皮下区域内葡萄糖、乳酸等分析物的二维浓度分布图。这种“图谱绘制”能力有助于揭示分析物在组织水平的空间异质性，为理解局部代谢微环境提供了新的视角，这在传统单点监测中是无法实现的。
结论与展望
本研究成功开发了一种新型的自校准多重微针电极阵列（SC-MMNEA），解决了现有连续监测技术在多指标同步检测、免校准和空间分辨率方面的局限性。该器件通过集成化设计、特异性传感界面和创新的自校准算法，实现了对皮下葡萄糖、乳酸、钾离子等多种关键分析物的高精度、连续监测与二维图谱绘制。活体实验证实了其在实际应用中的有效性和可靠性。
该技术的意义在于：首先，它为糖尿病患者提供了更为全面、便捷的代谢状态监测方案，有望实现对糖尿病及其并发症的更早期预警和个性化管理。其次，SC-MMNEA平台具有通用性，通过更换不同的生物识别元件，未来可扩展到监测其他疾病相关的生物标志物。最后，皮下分析物图谱绘制这一概念为生物传感领域开辟了新的研究方向，推动了对组织微环境的深入探索。这项研究标志着可穿戴医疗设备向多功能、智能化、高信息维度方向迈出了重要一步，具有广阔的临床转化前景。
