《Analyst》：Recent advances in microneedle-based electrochemical biosensors for monitoring biomarkers in interstitial fluid
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这篇综述系统阐述了微针(MN)电化学生物传感器这一前沿技术。文章聚焦于该技术在实现无创/微创、实时连续监测间质液(ISF)中生物标志物方面的革命性潜力，涵盖了从微针设计（如固体、中空、多孔和水凝胶微针）、传感器构建（直接检测与介导检测系统）到其在代谢物、激素、电解质、核酸及蛋白等多类标志物监测中的应用进展，并展望了其在个性化医疗、床旁检测(POCT)及未来临床转化中面临的挑战与前景。
微针(MN)电化学生物传感器：开启无创精准监测的新纪元
在个性化医疗与健康监测需求日益增长的今天，能够实现实时、连续、微创监测关键生理指标的技术，已成为生物医学工程领域的核心挑战与前沿方向。传统的静脉采血体外诊断存在侵入性、依赖临床环境、分析周期长等局限。间质液(ISF)作为一种富含生理相关生物标志物（如代谢物、电解质、激素）的真皮层细胞外储库，其浓度与血液水平高度相关，为诊断信息提供了一个有效且微创的来源。微针技术通过其独特的结构和功能优势，能够微创直接提取ISF并进行原位实时传感，解锁了基于ISF的诊断潜力。其中，基于微针的电化学生物传感器凭借高灵敏度与选择性、直接快速的信号转导、易于微型化以及与可穿戴设备集成的固有优势，已成为先进床旁检测(POCT)中最突出且技术引人注目的平台之一。
高效采样ISF的微针设计
为实现高效的ISF采样，针对功能需求设计的微针主要分为四种类型：固体微针(SMNs)、中空微针(hMNs)、多孔微针(PMNs)和水凝胶微针(HMNs)。
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固体微针(SMNs)：通过合理设计针高、尖端半径、基底直径和阵列密度等结构参数，并选用不锈钢、钛、硅和生物相容性聚合物等材料，确保高效皮肤穿透和机械完整性。其表面润湿性可通过化学修饰、等离子体处理或构建微/纳米粗糙结构进行调节，以增强对ISF的吸附能力。
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中空微针(hMNs)：具有内腔结构，可通过激光钻孔、光刻、复制成型、3D打印等先进微加工技术制备。其内腔能够直接、定量地采样ISF，无需样本稀释或损失，并可作为传感器元件功能化的可修饰界面。
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多孔微针(PMNs)：通常设计有众多毛细通道，具有可控孔径、高孔隙率和互连孔等结构特点。其微孔结构提供了更大的比表面积和更多活性位点，可利用毛细作用或结合离子电渗疗法增强ISF收集。
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水凝胶微针(HMNs)：通常由亲水聚合物（如透明质酸、聚乙烯醇）通过模具浇铸并交联固化制成。其核心优势在于独特的溶胀特性，既能作为生物识别元件（如酶、抗体、适体）的优异固定基质，又能作为原位ISF提取和待测物富集的有效介质。ISF提取的驱动力主要源于ISF与HMN水凝胶网络之间的渗透压差。
基于微针的电化学生物传感器的构建
基于微针的电化学生物传感器主要由微针单元和电化学生物传感单元组成，遵循两种核心集成模式。
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MN直接检测系统：遵循经典的电化学生物传感框架，由工作电极(WE)、对电极(CE)和参比电极(RE)组成。对于SMNs，可通过表面功能化导电材料或内部涂覆导电复合材料来设计WE，再固定生物识别元件。通过集成化学性质稳定的惰性金属CE和Ag/AgCl RE，形成全固态三电极系统，实现穿透皮肤后直接原位捕获ISF中的生化分析物并将其转化为可测量的电化学信号。对于PMNs和HMNs，可通过预先将导电材料和生物识别元件封装在其多孔结构或水凝胶基质中来扩展WE。
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MN介导检测系统：耦合ISF采样单元和电化学生物传感单元。例如，hMNs和PMNs通常作为采样单元，分别在微泵辅助下或通过其固有的毛细作用提取ISF。随后，收集的ISF扩散到预功能化的生物传感单元（如丝网印刷电极、微流控芯片）的电化学界面上，实现灵敏的生物标志物监测。HMNs则提供了更简化的采样策略，基于热力学和溶胀动力学有效提取ISF，并将其直接转移至耦合的电化学传感单元。
基于微针的电化学生物传感器监测生物标志物
目前，基于微针的电化学生物传感器已广泛应用于分析ISF中的多种生物标志物，其连续纵向监测能揭示生物标志物的波动趋势及个体差异、昼夜节律等影响。
代谢分子的监测
实时连续监测葡萄糖、乳酸、尿酸等代谢分子对于深入了解机体代谢活动和实现代谢性疾病的精准诊疗至关重要。例如，研究者开发了基于可溶胀导电水凝胶微针阵列的无酶连续葡萄糖监测(CGM)装置，用于糖尿病大鼠模型中从高血糖到低血糖范围的连续监测。还有研究报道了完全集成的微针生物传感器，可同时测量体育锻炼期间与健康相关的生物标志物（如葡萄糖、乳酸和酒精）。此外，将适体与水凝胶微针电化学传感模块集成的“可穿戴适体分析仪”，实现了对葡萄糖和乳酸的原位、实时、连续双重监测，克服了基于酶的检测方法的局限性。
激素的监测
激素水平的动态变化能直接反映靶器官的功能状态。基于ISF的检测能够连续捕捉激素的动态波动模式。例如，研究人员设计了基于导电固体微针的适体传感器，通过金镀层和树枝状金纳米粒子的电沉积构建导电界面，基于适体与靶分子结合后的构象变化，实现了对皮质醇的灵敏检测。另有研究通过将3D打印聚合物晶格保护膜集成到镀金微针表面，并固定特异性适体，实现了胰岛素的定量分析。此外，基于聚(3,4-乙撑二氧噻吩):聚苯乙烯磺酸盐(PEDOT:PSS)涂层的三维微针阵列的柔性电化学免疫传感器，实现了对孕酮(P4)和β-雌二醇(E2)的超高灵敏度检测。
电解质的监测
电解质平衡对于维持机体生理稳态至关重要。例如，钠离子(Na+)是评估低钠血症和高钠血症等疾病的重要预后生物标志物。研究人员提出了一种用于ISF中钾离子(K+)皮内电位监测的可穿戴全固态微针贴片。该贴片显示出优异的检测性能，并在离体鸡和猪皮肤实验中得到了验证。相比单一标志物检测，同时监测不同类型的离子（如Na+, K+, Ca2+）能提供更全面的信息。研究者开发了通过激光微加工制造的多路生物传感阵列，实现了对ISF中Ca2+、K+和Na+的实时同步监测。
2+, K+, and Na+in ISF. (C) Schematic diagram of a polyaniline-modified functionalized MN array for in vivo pH sensing.">
氢离子(H+)浓度或pH值是反映酸碱平衡状态和微环境稳态的重要生物标志物。有研究提出了一种基于高密度聚合物微针阵列(PMNA)的可穿戴生物传感器，用于ISF pH的实时经皮电位监测。该传感器采用聚苯胺(PA)涂层的PMNA作为工作电极，表现出高灵敏度、准确度以及优异的抗干扰能力和长期稳定性。
核酸的监测
核酸作为存在于血液和间质液中的关键分子生物标志物，在早期癌症筛查、传染病诊断等方面具有重要价值。以爱泼斯坦-巴尔病毒细胞游离DNA(EBV cfDNA)为例，研究者开发了一种水凝胶微针生物传感贴片，可在约15分钟内从ISF中快速原位捕获EBV cfDNA，并与电化学重组酶聚合酶扩增(eRPA)集成实现定量分析。为了进一步扩展cfDNA提取和实时监测能力，后续研究构建了利用石墨烯生物界面和CRISPR-Cas9系统协同效应的可穿戴微针贴片，用于实时监测EBV、脓毒症和肾移植排斥反应相关的cfDNA。
蛋白质的监测
ISF中的蛋白质是疾病诊断、疗效评估和健康监测的关键生物标志物。例如，C反应蛋白(CRP)是炎症和细菌感染的关键生物标志物。研究人员集成了超溶胀微针适体识别测试仪(uSMART)，用于CRP检测。该系统由基于甲基丙烯酰化透明质酸/透明质酸钠(HAMA/SH)的超溶胀MN采样模块和包含适体修饰的分层花状金纳米结构丝网印刷碳电极(HFGN-SPCE)的协同生物传感模块组成，实现了对CRP的高选择性、无试剂检测。在细胞因子监测方面，有团队开发了基于导电固体微针的免疫传感贴片，通过原位电化学分析，实现了对白细胞介素-6(IL-6)的超高灵敏度检测，并在大鼠脓毒症模型中成功预警了IL-6浓度的升高。
在肿瘤相关蛋白标志物监测领域，酪氨酸酶(Tyr)是黑色素瘤发生发展的关键生物标志物之一。研究者构建了基于PEDOT:PSS复合导电微针的电化学生物传感贴片，用于监测Tyr。该传感器通过连续修饰硅烷化和交联L-3,4-二羟基苯丙氨酸(L-dopa)作为探针构建了Tyr响应性生物界面。此外，基于高密度硅微针阵列的电化学免疫传感器也被开发用于检测人表皮生长因子受体2(ErbB2)，在人工ISF中表现出较低的检测限。
多种类型生物标志物的同步监测
对多种生物标志物进行同步监测对于疾病及其并发症的全面管理至关重要。受猫科动物倒刺舌针状结构启发，研究者开发了一种自校准多路微针电极阵列(SC-MMNEA)，能够实时、连续、同步床旁监测ISF中的多种生物标志物。该设计采用每个微针检测单一分析物的策略，有效解决了直接化学修饰微针贴片引起的串扰问题，并通过中空微针传递已知浓度溶液进行自校准，提高了传感器的可靠性。为了推进有效的糖尿病管理，有团队创建了一种混合柔性腕带，集成了用于传感多种生物标志物的微针阵列和用于监测血压、动脉僵硬度及心率的超声阵列，实现了代谢和心血管状态的连续床旁评估。
为实现精准个性化的疾病管理，同时监测药物和疾病相关生物标志物也至关重要。研究者提出了一种基于微针的连续生物标志物/药物监测(MCBM)系统，采用层层纳米酶固定策略的双传感器微针，利用3D打印微针通道和差分脉冲伏安法(DPV)，准确检测ISF中的葡萄糖和二甲双胍浓度。
前景与挑战
基于微针的电化学生物传感器已成为一个变革性的微创生物传感平台。其前景包括：通过集成纳米材料、微加工技术和CRISPR等尖端技术提升分析性能；扩大在患者群体中的监测范围并实现多重检测；在家庭医疗、急救护理等多样化实际应用场景中发挥重要作用。
然而，实现这些目标仍需应对若干挑战：将电化学传感组件集成到微针结构中面临微型化和稳定性的难题；微针基底与传感材料之间的界面相容性不足；微针模块内的流体动力学限制影响电化学反应效率；复杂ISF成分的干扰在基于微针的电化学检测中被放大；针对个体皮肤生理和ISF成分差异的传感器响应校准仍然困难。此外，将连续数据流转化为临床可行见解以及为集成医疗器械建立清晰的监管路径，是实现成功商业化和广泛采用的关键步骤。随着与物联网和人工智能算法的整合，基于微针的电化学生物传感器有望通过实时数据采集和智能分析，从根本上改变医疗保健服务模式，实现预测性和个性化医疗。
