微針無痛

文/王涵玉（北京科技大學）

傳統的生物檢測方法不僅成本高，而且特別需要專業人員的操作，導致檢測的步驟十分繁瑣，普通患者不能自己動手檢測，且需要很長的時間才能得到檢測結果。針對于這些難點，現場快檢 POCT (point-of-care testing) 被提出，即在現場進行采樣并使用便攜式的分析檢測儀器以及配套的試劑和試紙, 在病人身邊進行快速分析、準確診斷并現場快速得到檢測結果。實現了儀器的小型化、操作過程簡便化、檢測現場實時化，體現了當代科技的信息化。當然，POCT技術的實現離不開微針技術。微針，顧名思義，即細小的針，通常它的針長在 50 ～ 2000 微米之間，針尖直徑在1 ～ 100微米之間，由于微針的長度短，可以恰好穿過角質層同時又不會觸及痛覺神經，常被認為無痛且微創。

糖尿病作為對人類健康影響最嚴重的疾病之一，近年來已越來越受到人們的關注，在現在的各種血糖檢測技術中，高準確性和無痛優點的微創檢測技術深受人們的歡迎，微針通常作為微創檢測中最常用的器件。在傳統的生物檢測中，大部分檢測需要采集血液或組織間液，這就產生了不可避免的穿刺皮膚的疼痛感和開放性的創口，給病患帶來心理壓力和生理創傷，尤其是像糖尿病這類需要頻繁進行檢測的患者。這種傳統檢測產生了大量醫療廢棄物如針頭、檢測試紙等，不僅帶來一系列環境污染問題，同時造成了資源浪費，更嚴重的是，在一些發展中國家可能會重復使用未經消毒或不正確消毒的針頭造成常見的血源性疾病的傳播。在醫療安全和廢物處理方面，沒有經過培訓的人很難在家中將自行使用的皮下注射針頭和注射器等廢棄物進行正確處理，帶來嚴重的安全隱患；另一方面，有一部分人尤其是兒童存在針頭恐懼癥，使他們不愿意尋求常規的醫療護理以致疾病無法得到有效的治療。

通過將微針與藥物或生物傳感器的結合，可以實現無痛微創的藥物輸送和體液生物標志物的檢測，經過特殊設計的微針還能夠對體液中目標物質的濃度進行實時監測，延長單次檢測的有效時間，減少了長期反復采集體液帶來的痛苦。另外，微針結構簡單、制作成本低、操作簡便的特點還消除了實驗廢棄物存在安全隱患和造成環境污染、資源浪費的問題，同時也讓低收入地區的患者能夠承擔得起治療費用，以及能夠自我診斷而不再依靠專門的設備和專業人員的監督。相比于傳統的檢測方式，微針貼片可以根據患者所喜愛而設計成不同的圖案和排列方式，像文身貼片一樣。我們的微針也通過在不同區域的針尖里裝載不同的檢測試劑，可以實現一個微針貼片，同時檢測不同的生物標志物的功能，方便又快捷。此外，微針貼片還可以減少檢測試劑與空氣的直接接觸，提高了試劑的有效性。

對廣大糖尿病患者群體來說，現行常規的檢測方法是指尖釆血法檢測血糖（如圖1），大概統計，每人每天平均手指采血次數為7次，這種方式只能獲得單一時間點的血糖濃度，無法對糖尿病患者全天的血糖濃度進行監測?；谖⑨樫N片的血糖監測設備的出現為這些問題帶來了解決方法。用基于微針貼片的檢測方法，微針所注射的檢測試劑可以在之后的7天左右時間里停留在人表皮中，并且會隨著組織間液中的血糖濃度的變化作出相應的顏色反應，為患者提供實時的連續的血糖監測。可以預見，如果這些新型的微針血糖檢測設備能夠得到大面積的推廣使用，那么全世界將會有更少的醫療廢物產生，更少的人因為糖尿病死亡，更少的醫療衛生支出花費在糖尿病上。微針的形狀和結構通常因使用場景和功能需求的不同而不同，其精細的結構導致其很難在短時間內大量生產。3D 打印可以制備復雜的組合和幾何形狀，可以對微針的長度和形狀進行精確的控制，可用于制備定制化微針以滿足患者的需求。3D 打印技術既不需要復雜昂貴的制造設施，也不需要微細加工方面的專業知識。

我們利用3D打印技術通過倒模法制備了不同直徑與高度的微針模型并制備出微針成品。我們分析了微針成品與微針模型設計參數之間的數據差異，并通過力學強度測試以及微針插入豬皮實驗篩選出最佳直徑與高度微針參數即穿刺效果最好的微針，為后續基于微針貼片的血糖檢測打下堅實的基礎。

在實驗的過程中，由于對微針的長徑比、角度的設計不能一步到位，需要很多的數據支持來確定一個最佳的微針參數，需要大量的人力，以及后續智能手機識別色度的軟件的開發，由于對軟件開發沒有嘗試過，所以可能需要投入大量的時間與信息來完成血糖軟件的設計。在繪圖方面，作為科研小白的我第一次接觸到用AI軟件來繪圖，完全自學了該軟件，來繪制實驗過程中的示意圖。

雖然迄今為止大多數低成本的 3D 打印微針顯示出低縱橫比和較差的尖端銳度，但團隊會努力實驗，獲得高縱橫比的微針，滿足患者的使用需求。我們或許能在不久的將來看到微針驅動的多路傳感設備的面世。在進一步推進研究中，隨著低功耗電子設備、無線通信技術和自供電生物傳感器技術不斷取得重大突破，小型化的無電池微針傳感的電化學設備也將逐漸出現在我們的生活中。通過針對不同用戶進行個性化定制，這些新型的微針生物傳感器將在智慧醫療保健服務中發揮核心的作用（如圖2）。微針傳感器與物聯網、大數據和人工智能相結合，傳感器檢測生物標志物并將結果上傳到云端。由醫生或人工智能結合病人的醫療記錄進行遠程診斷，之后醫療決策觸發微針中的預載藥物釋放到患者體內?；颊邔倪@種新型的醫療保健模式的分散化治療中受益，在家中就能進行疾病治療，解決醫療資源短缺的問題。

1.測量糖尿病相關生物標志物的不同體外和體內傳感方法的代表性實例

2.個性化微針將來用于智慧治療（微針生物傳感器與大數據、物聯網結合，在患者表皮采集數據上傳到云端，實現遠程智能診斷和治療）