本研究由澳大利亚莫纳什大学的Nicolas H. Voelcker和Muamer Dervisevic共创，研究成果发表在《ACS Materials Letters》期刊上。论文探讨了基于微针（MN）技术的透皮电化学传感器在健康监测和诊断中的应用潜力。随着个性化可穿戴设备的兴起，微针技术被认为是替代传统血液检测的一种新方法，能够提供更具成本效益、易于使用和快速报告的实时生物标志物检测。
研究的主要目标是解决当前透皮传感器在使用过程中面临的关键挑战，尤其是传感层在插入和拔出皮肤时的损坏或变形问题。传统的微针传感器在与皮肤组织摩擦时，传感层容易受到损害，导致传感器性能下降。为了解决这一问题，研究团队开发了一种新的聚合物微针阵列（PMNA），其每个微针高度约为720微米，并在微针表面集成了导电的凹陷微腔（MC）。这些微腔不仅可以容纳传感层或生物识别元件，还能在插入和拔出皮肤时保护传感层，确保其功能和灵敏度得以保持。
在实验中，研究人员使用了猪皮进行验证，结果表明，基于PMNA/MC的传感器在多次皮肤应用后仍能保持其功能性和灵敏度，灵敏度为2.36 ± 0.06 nA mM⁻¹。这一成果展示了三维纳米结构化微针阵列在保持性能方面的潜力，为透皮传感技术的进步提供了新的解决方案。微针技术的显著优势在于其能够轻松穿透皮肤的最外层，直接接触皮肤微循环或间质液（ISF），而不会刺破血管或损伤皮肤神经，降低了感染风险。
尽管微针技术在电化学传感器的开发中取得了快速进展，但仍面临一些关键挑战，包括微针的机械强度不足、与皮肤的生物相容性、对组织微环境的干扰最小化，以及在插入皮肤后设备的功能保持。尤其是如何在插入过程中防止生物识别元件的损坏或变性，成为了电化学透皮传感器的一大难题。研究团队提出了一种新颖的微针阵列设计，通过在微针表面集成凹陷微腔，避免了传统方法中需要额外涂层的复杂性。
在制造过程中，研究团队使用了Nanoscribe的NanoScribe Photonic Professional GT2设备进行三维打印，制作了微针阵列的母模。这种直接激光光刻系统利用双光子聚合技术，能够高精度地制造出具有复杂结构的微针阵列。随后，研究人员通过PDMS软光刻技术获得了二次母模，并利用这些模具进行PMNA的制备。最终，研究团队成功地将凹陷微腔集成到微针表面，形成了具有导电性的Au-PMNA/MC电极。
在电化学特性方面，研究团队通过循环伏安法（CV）、差分脉冲伏安法（DPV）和电化学阻抗谱（EIS）等技术对Au-PMNA/MC电极进行了表征。结果显示，Au-PMNA/MC电极在与猪皮接触后，传感层的功能得到了有效保护，未出现明显的性能下降。这一发现表明，凹陷微腔的设计能够有效防止传感层在插入和拔出过程中受到损害，从而提高了传感器的可靠性和使用寿命。
此外，研究还探讨了Au-PMNA/MC电极在不同葡萄糖浓度下的电化学响应，结果显示该电极在多次皮肤应用后仍能保持稳定的灵敏度。这一成果为未来的可穿戴传感器开发奠定了基础，表明微针阵列技术在生物传感器领域的广泛应用潜力。
总之，本研究不仅解决了微针传感器在实际应用中面临的关键挑战，还为未来的透皮传感技术发展提供了新的思路。通过工程化微针表面，研究团队成功开发出一种新型的微针阵列，能够在不损害传感层的情况下实现高效的电化学检测。这一创新将推动透皮传感技术的进步，降低可穿戴传感器的制造成本，提高其可靠性，为临床诊断和健康监测提供更为有效的解决方案。
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https://doi.org/10.1021/acsmaterialslett.3c00441