《Talanta》：A flexible hydrogel microneedle patch-mediated electrochemical sensor for rapid and minimally invasive fentanyl detection
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微针水凝胶复合电极可穿戴传感器快速检测芬太尼（灵敏度0.3 μA/μM，检测限4.4 μM，机械强度>0.1 N/针），通过模板成型制备的MeHA/PVA复合水凝胶微针贴片与印刷电极集成，兼具高吸附率（400%肿胀率）和柔韧性，适用于无创皮肤渗透与生物流体提取检测。
吴天浩|黄青竹|罗嘉欣|李金池|王宇|林思雨|李展宏|刘文斌|王子峰|赵学军|朱志刚
上海科技大学健康科学与工程学院，中国上海市杨浦区中工路516号，200093
摘要
芬太尼及其类似物的快速采样和监测对药物控制和执法具有重要意义。传统的芬太尼检测技术需要复杂的预处理步骤和大型仪器，这限制了其在可穿戴芬太尼监测中的应用。基于微针的电化学传感器能够快速、便捷地检测皮肤间质液中的小分子和药物，具有高灵敏度、良好的选择性和低检测限。然而，这些传感器在几何形状、机械柔韧性和设备完整性方面存在不足，影响了其在可穿戴、微创式芬太尼检测中的应用。本文制备了一种甲基丙烯酸化透明质酸/聚乙烯醇（MeHA/PVA）复合水凝胶微针贴片，通过模板成型工艺获得良好的机械强度（超过0.1 N/针）和400%的膨胀性能。这种MeHA/PVA微针贴片可以与丝网印刷的电化学芬太尼传感器紧密结合，该传感器具有10–100 μM的线性检测范围、0.3 μA μM-1的灵敏度、4.4 μM的检测限以及优异的选择性。更重要的是，由于界面粘附性强，这种集成微针电化学传感器具有良好的机械柔韧性，能够有效地从仿生皮肤模型中提取芬太尼并同时检测其浓度。这证明了所提出设备在可穿戴和微创式芬太尼及其类似物检测方面的巨大潜力。
引言
芬太尼及其类似物是一类最初为医疗用途（包括麻醉和镇痛）而开发的合成阿片类药物。作为μ-阿片受体的激动剂，芬太尼与中枢神经系统有强烈的相互作用，因此具有高生物活性。[1],[2]因此，芬太尼及其类似物具有与吗啡相似的药理效应，但效力高出50–100倍，尽管作用时间仅持续几小时。由于其独特的分子结构，芬太尼能够轻松穿过细胞膜和血脑屏障，可通过静脉注射、鼻腔给药、经皮给药等多种途径释放。这使得芬太尼及其类似物具有极高的吸收性，成人致死剂量仅为2毫克。[3]它们经常被掺入其他处方药中，导致使用者不知不觉地过量服用。更重要的是，由于利润巨大，芬太尼及其类似物被非法合成并用作海洛因、可卡因等滥用药物，给药物控制和执法带来了巨大挑战。[4]因此，开发先进的芬太尼及其类似物检测技术至关重要。
迄今为止，已经开发出多种检测芬太尼及其类似物的方法。[5],[6]这些方法包括各种色谱技术、质谱技术、拉曼光谱和红外光谱、核磁共振（NMR）光谱、酶联免疫吸附测定（ELISA）以及电化学分析等。其中，电化学分析是一种简单、成本效益高的方法，有利于可穿戴电化学传感器的开发。[7],[8]它具有高灵敏度、低检测限和良好的选择性，能够在几分钟内提供快速响应，适用于便携式或可穿戴设备进行现场检测，无需大型设备。[9],[10]最近，人们投入了大量努力开发用于芬太尼及其类似物分析的电化学传感器。在这方面，开发了多种电极材料，利用约0.8 V的电位通过伏安法实现芬太尼的不可逆氧化，从而产生可观察的电流响应。[11]例如，碳纳米洋葱（CNOs）修饰的玻璃碳电极（GCE）[12]、单壁碳纳米管（SWCNTs）网络电极[13]、用离子液体（ILs）修饰的丝网印刷碳电极（SPCE）[14]、功能化碳纳米纤维（fCNF）修饰的SPE电极[15]以及激光诱导多孔碳电极[16]分别被用于差分脉冲伏安法（DPV）或循环方波伏安法（CSWV）下的芬太尼检测。除了基于碳的电极材料外，金属有机框架、过渡金属氧化物纳米材料、分子印迹聚合物[17]、适配体基材料[18]和单原子电催化剂[19]也成功制备并应用于芬太尼的电化学检测。因此，可以将电化学传感器应用于提取的生物样本或生物流体中检测芬太尼及其类似物。
尽管取得了显著进展，但直接从生物环境或生物样本中现场检测或监测芬太尼及其类似物仍然具有挑战性。这可能是由于生物流体采样/提取、过滤/纯化等预处理过程的复杂性，延长了检测时间。此外，传统的芬太尼采样方法（如静脉穿刺）通常涉及对血管的侵入性穿刺，导致患者感到疼痛。相比之下，带有微针阵列的微针贴片可以轻松穿透角质层到达真皮层，同时完成特定的生物医学任务。[20],[21],[22]目前，微针贴片已成为一种有前景的微创平台，可用于生物采样、物质输送、医疗治疗和现场诊断。多种可膨胀、可溶解和响应刺激的聚合物凝胶材料被用于制备微针贴片，因为它们能够主动适应皮肤间质液中的变化微环境，并具有潜在的电活性功能。[23],[24],[25]更重要的是，微针可以与电化学传感器结合，用于现场检测生物标志物（包括生物分子、电解质离子和代谢物）。[26],[27]特别是，越来越多地将微针贴片与电化学技术结合，用于检测治疗药物（如伊立替康、多柔比星、妥布霉素、万古霉素和利多卡因等）。[28],[29],[30]例如，一种3D打印的中空微针与插入电极结合，用于通过SWV检测芬太尼（10–200 μM）和有机磷酯（10–160 μM）。[31]然而，尽管有开创性的研究，但在开发基于微针的电化学传感器方面仍存在局限。首先，虽然可以通过3D打印轻松制备基于中空微针的电化学传感器，但打印分辨率不足，导致针头几何尺寸较大，从而增加了穿刺难度并引起疼痛。虽然可以开发基于皮肤间质液提取的可膨胀水凝胶微针集成电化学传感器，[32]但其界面强度和机械柔韧性较差，导致设备过于刚性，影响了其在可穿戴场景中的应用。因此，有必要开发具有精确几何形状和良好机械柔韧性的新型基于微针的电化学传感器，以实现可穿戴式芬太尼检测。
本文提出了一种结合电化学传感器的可膨胀复合水凝胶微针贴片，用于芬太尼检测。电化学传感器通过在柔性薄膜基底上定制图案设计制成，然后使用导电浆料进行丝网印刷，并用特定的芬太尼识别材料固定。这种由聚乙烯醇（PVA）和甲基丙烯酸化透明质酸（MeHA）复合水凝胶制成的可膨胀微针贴片，具有薄的背板和良好的粘附性，能够牢固地附着在电化学传感器的工作区域，形成集成的、灵活的微针介导的电化学芬太尼传感器。该设备具有超过0.1 N/针的机械强度，适用于皮肤穿刺，并且间质液提取时的膨胀性能接近400%，有利于芬太尼的采样和检测。电化学芬太尼传感器在DPV条件下表现出10–100 μM的线性检测范围、0.3 μA μM-1的灵敏度、4.4 μM的检测限以及优异的选择性。这种高度集成的灵活微针介导的芬太尼传感器能够在琼脂糖凝胶仿生皮肤模型上有效膨胀，快速提取芬太尼分子并检测其浓度，证明了所提出设备在可穿戴和微创式芬太尼及其类似物检测方面的潜力。
材料
聚乙烯醇（Mw：88 kDa）购自上海Titan Scientific有限公司（中国上海）。透明质酸钠（HA，300 kDa）购自Freda Biotechnology有限公司（中国山东）。甲基丙烯酸酐、罗丹明B（RhB）、N,N-二甲基甲酰胺（DMF）、磷酸盐缓冲盐水（PBS）溶液、铁氰化钾（K3[Fe(CN)6）、铁氰化钾（K4[Fe(CN)6）、胆酸钠、氢氧化钠（NaOH）、尿酸（UA）、L-抗坏血酸（AA）、葡萄糖、咖啡因、尿素等。
结果与讨论
如图2a和图S1所示，制备的MeHA/PVA复合水凝胶微针具有典型的金字塔形几何结构，复制了PDMS模具的形状。每个针头的尖端约为20 μm，比大多数3D打印微针更锋利，而针头基部和高度分别为约350 μm和800 μm。几何形状的轻微差异可能是由于干燥过程中的收缩所致。未观察到明显的相分离现象，表明材料具有良好的相容性。
结论
总之，在本研究中，将MeHA/PVA水凝胶微针贴片与丝网印刷的柔性电化学传感器结合，实现了芬太尼的同时提取和检测。比例为1:1的MeHA/PVA具有优化的机械强度和膨胀性能，便于微创式皮肤穿刺和间质液提取。此外，丝网印刷的电化学传感器的MWCNTs:PEI:ILs重量比为100:1600:2，对芬太尼具有高敏感性。
CRediT作者贡献声明
罗嘉欣：方法学设计、数据分析。
黄青竹：验证、实验研究、数据管理。
吴天浩：验证、实验研究、数据分析。
朱志刚：写作、审稿与编辑、监督、资金申请。
林思雨：方法学设计、数据管理。
王宇：验证、软件应用、实验研究。
李金池：数据可视化、软件应用。
赵学军：写作、审稿与编辑、项目管理。
王子峰：初稿撰写、资金申请。
数据可用性
数据可应要求提供。
利益冲突声明
作者声明没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文所述的工作。
致谢
作者衷心感谢上海科技大学、上海刑事科学技术研究所现场物证重点实验室（项目编号2024XCWZK15）以及上海市自然科学基金（项目编号25ZR1402396）的财政支持。作者还感谢上海科技大学仪器分析中心的设施和科学技术支持。
