通过双提取驱动的柔性微针传感器主动检测黑色素瘤

《Biosensors and Bioelectronics》：Active Detection of Melanoma via a Dual-Extraction-Driven Flexible Microneedles Sensor

提出一种完全集成的双驱动柔性微针传感器（DFMN），通过水凝胶微针的被动扩散与反向离子迁移的主动提取协同作用，5分钟内间质液（ISF）收集效率提升1.6倍，实现miRNA-221检测限43 aM，并基于人工神经网络算法将检测相关性提升至R2=0.985。

　　

吴敏|焦松龙|刘磊

东南大学机械工程学院，中国南京211189

摘要

可穿戴微针（MN）生物传感器在间质液（ISF）中用于微创生物标志物检测方面具有巨大潜力。然而，流体收集效率低下、由于刚性结构组件导致的皮肤刺激以及长期运行稳定性不足，这些因素共同构成了其临床转化用于早期疾病诊断的关键障碍。在这里，我们提出了一种完全集成的双提取驱动的柔性微针（DFMN）传感器，用于主动检测与黑色素瘤相关的miRNA。DFMN传感器包括水凝胶微针、中空的金银纳米颗粒（Au-Ag NPs）功能化柔性电极以及微型无线模块。通过水凝胶微针膨胀驱动的被动扩散与反向离子导入（reverse iontophoresis）驱动的主动运输的协同作用，在5分钟内将ISF提取量提高了1.6倍。这种双提取机制实现了miRNA-221的实时无线检测，其检测限（LOD）低至43 aM。此外，为了在复杂的生物环境中提高可靠性，我们实现了人工神经网络算法，相关系数（R²）达到了0.985。DFMN传感器在人机交互、智能医疗和人工智能等跨学科领域具有广泛的应用前景，为可穿戴柔性传感器的实时敏感检测提供了创新解决方案。

引言

可穿戴传感器广泛应用于健康监测、体力活动跟踪等相关领域（Li等人，2025；Hong等人，2024；Li等人，2023；Jha等人，2024）。它们能够连续实时监测多种生理信号，如心率和特定生物标志物，从而实现个性化医疗和智能健康管理（Song等人，2025；Sunstrum等人，2025；Chandran等人，2025）。在利用可穿戴传感器进行肿瘤检测方面，当前的研究重点是开发与先进传感技术集成的微型可穿戴设备，以连续监测生物流体中的生物标志物，如汗液（Chen等人，2025）、唾液（Sempionatto等人，2022）、眼泪（Wang等人，2024）和间质液（ISF）（Parrilla等人，2025；Zheng等人，2022）。值得注意的是，ISF在生物标志物浓度方面与血液高度相关，能够准确反映动态的生理和病理变化（Friedel等人，2023；Dong等人，2024；Boeva等人，2024）。因此，它被视为血液的理想替代生物流体（Merzougui等人，2025）。此外，由于可以通过微创提取获取ISF，它已成为高效经皮监测的有希望的目标，并逐渐被认可为一种非侵入性诊断方式。

在各种可穿戴生物传感平台中，微针（MN）技术因其在微创和无痛采样方面的独特优势而成为ISF生物标志物检测的关键研究方向（Amir等人，2025；Vora等人，2023；Wang等人，2025）。水凝胶材料因其优异的生物相容性而被广泛用于制造微针，这大大降低了长时间佩戴时皮肤刺激或炎症的风险（Zuo等人，2025；Hu等人，2024；Yao等人，2024）。这些水凝胶微针通常通过其亲水三维网络产生的渗透压梯度驱动的毛细作用实现被动ISF提取（Zheng等人，2024；Xu等人，2025；Li等人，2025）。然而，传统的水凝胶微针在实际应用中仍存在显著限制。尽管水凝胶微针具有足够的机械强度可以穿透人体皮肤，但其机械性能与皮肤组织的柔软性质存在显著差异，导致生物相容性不足。此外，它们的膨胀行为受到材料交联密度、网络结构和基质亲水性等因素的限制（Zheng等人，2020），从而导致ISF提取效率低和采样速率慢。因此，迫切需要开发能够在不牺牲机械完整性或生物相容性的情况下快速高效富集ISF的水凝胶微针。

尽管微针能够实现ISF的微创采样，但必须将其与检测技术集成，形成一个统一的“采样-分析-输出”系统。虽然光学方法具有高灵敏度，但它们对复杂光学系统的依赖性阻碍了其小型化和与可穿戴设备中柔性基底的兼容性（Huang等人，2023；Peng等人，2023；Liu等人，2024；Park等人，2024）。相比之下，电化学方法是与水凝胶微针集成的理想选择，因为它们具有易于小型化、响应迅速和功耗低的固有优势。大多数报道的电化学可穿戴微针传感器使用导电水凝胶微针作为工作电极，其中生物识别元件（如抗体或适配体）通过物理吸附或共价键合固定在电极表面（GhavamiNejad等人，2023；Dervisevic等人，2024）。这些元件与目标分析物之间的特异性结合将生化信号转换为电信号（例如电流、电位或阻抗）。然而，识别元件直接暴露在复杂的组织微环境中，使其容易受到蛋白质等生物分子的非特异性吸附，从而影响传感器的长期稳定性和检测准确性（Liu等人，2025）。因此，迫切需要开发新的策略，将微针与电极集成，以提高可穿戴传感器在真实生理环境中的可靠性和稳定性。

在这项工作中，开发了一种完全集成的双提取驱动的柔性微针（DFMN）传感器，用于快速采样和主动检测与黑色素瘤相关的miRNA（图1a）。具体来说，DFMN传感器由聚乙烯醇/聚乙烯吡咯烷酮（PVA/PVP）水凝胶微针阵列、作为粘合层的羟基酸甲基化（HAMA）水凝胶以及柔性电极组成（图1b）。高膨胀性的HAMA将微针牢固地附着在电极上，确保了皮肤穿透的机械强度，同时保持了优异的柔韧性和皮肤兼容性。Au-Ag NPs被适配体探针功能化（图1c），这些探针可以通过互补碱基配对特异性结合ISF中的目标miRNA-221（Wu等人，2025；Li等人，2022）。值得注意的是，双提取机制结合了反向离子导入（RI）驱动的主动运输和水凝胶膨胀驱动的被动扩散，在5分钟内将ISF提取量提高了1.6倍。随后，通过方波伏安法（SWV）和计时安培法（CA）测量获得的电化学信号被无线传输到智能手机，实现了miRNA-221的超灵敏检测，检测限为43 aM。此外，基于皮尔逊相关分析构建了人工神经网络（ANN）模型，相关系数（R²）达到了0.985。总体而言，DFMN传感器为癌症生物标志物的实时、快速和微创监测提供了一种新策略。

材料与动物

PVA（分子量89 kDa）、PVP（分子量40 kDa）、N,N’-甲基二丙烯酰胺（Bis）、琼脂糖、6-巯基己醇（MCH）、罗丹明B粉末、琼脂糖、无DNase/RNase的水、磷酸盐缓冲液（PBS）、磷酸二氢钠（NaH₂PO₄）、无水氯化钙（CaCl₂）、氯化镁（MgCl₂）、氯化钠（NaCl）、氯化钾（KCl）、4-(2-羟乙基)-1-哌嗪乙磺酸（HEPES）、六氰铁酸钾-III（K₃[Fe(CN)₆]、六氰铁酸钾-II（K₄[Fe(CN)₆）三水合物

DFMN传感器的制备与表征

DFMN传感器是通过多步骤过程制造的，该过程将功能化的丝网印刷电极与微针阵列集成在一起（图2a）。具体来说，工作电极表面修饰了中空的金银纳米颗粒。通过TEM和能量色散X射线（EDX）系统地表征了Au-Ag NPs的中空结构和元素组成（图2b，S2和S3）。PVA/PVP水凝胶微针具有金字塔形结构，平均高度为1200 μm，基部宽度为

结论

DFMN传感器将RI驱动的主动运输与水凝胶膨胀的被动扩散协同结合，在5分钟内将ISF提取量提高了1.6倍。这种双提取机制实现了miRNA-221的实时无线检测，检测限低至43 aM，经过ANN处理的电化学数据显示出异常高的相关性（R² = 0.985）。DFMN传感器的完全集成设计克服了流体收集的关键障碍

CRediT作者贡献声明

刘磊：指导。 吴敏：研究。 焦松龙：研究

未引用的参考文献

Hong等人，2025；Li等人，2025；Park等人，2025；Wang等人，2023；Chen等人，2025；Li等人，2025；Li等人，2021；Sun等人，2025；Liu等人，2025；Zhu等人，2021。

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的竞争性财务利益或个人关系可能会影响本文报告的工作。

数据可用性

数据将按请求提供。

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作者声明他们没有已知的竞争性财务利益或个人关系可能会影响本文报告的工作。

致谢

本工作得到了国家自然科学基金（52425507、52130510）、江苏省科学技术基金（BE2022066、BZ2023043）以及江苏省苏州科学技术计划（SYG202302）的财政支持。