作为现代医学诊断体系的核心载体，血液分析凭借其生理指标的全谱系覆盖能力，在疾病筛查、疗效评估等临床场景中持续承担关键功能，但仍面临着双重问题：其一，静脉穿刺作为侵入性操作易引发患者痛感体验与潜在医源性感染风险；其二，在资源有限地区难以普及。尽管唾液、汗液等新兴替代性样本源在无创检测领域展现应用潜力，但其内源性生物标志物浓度显著低于血液基质，加之复杂基质效应对检测灵敏度的衰减作用，难以满足精准医疗对痕量标志物的定量检测要求。
间质液（ISF）作为人体循环系统的重要组成部分，是以无色透明液态形式存在于血管外与细胞间隙的体液介质，在维持组织微环境稳态中承担着关键物质运输功能。然而传统ISF采集技术存在明显局限性，吸疱法通过负压刺激表皮分离、超声透皮法则依赖物理能量穿透皮肤屏障，二者均会破坏角质层完整性并造成局部组织损伤，导致样本污染风险与创面愈合问题。在此背景下，微针技术凭借其独特的生物相容性优势实现了技术突破，以微米级针体无痛穿透角质层屏障，在确保真皮层结构完整性的前提下完成ISF精准捕获，完全区别于传统皮下注射针具的侵入式操作方式。
当前水凝胶材料在可溶胀微针研发领域已取得系列进展，但现有技术普遍存在体液提取效率瓶颈，单次采集耗时长达10至15分钟且提取量仅有3-5mg。基于此，南昆士兰大学与伯明翰大学研发团队创新性地开发出两种螺旋构型可溶胀微针阵列（MNs）：甲基丙烯酰化明胶/聚乙烯醇（GelMA/PVA）MNs和聚乙烯醇/聚乙烯吡咯烷酮/透明质酸（PVA/PVP/HA）MNs，通过材料协同效应实现间质液快速捕获。
相关研究以“Micro-vibration assisted dual-layer spiral microneedles to rapidly extract dermal interstitial fluid for minimally invasive detection of glucose”为题发表在国际期刊《microsystems & nanoengineering》上。
根据实验数据显示，两种MNs在ISF环境中10分钟内即达到560±79.6%与370±34.1%的显著溶胀率，突破性地将传统技术所需的体液提取时间压缩至10分钟以内，展现出在实时诊断领域替代传统血液检测技术的工程应用潜力。
图1. ISF提取和葡萄糖回收的示意图。
MNs采用螺旋结构设计，通过整合0.15mm和0.20mm两种规格的方形单元构建而成。单元间距为0.4mm，针尖与基座均设计为圆形结构。初始设计的MNs高度为1mm，针尖直径0.02mm，基座直径0.3mm，针间距设定为0.40mm。这种螺旋结构的主要优势在于其互锁特性可提升ISF提取效率——螺旋设计增加的结构顶点数能增强穿刺稳定性，降低使用过程中的位移风险。相较于传统锥形结构，螺旋造型还能提供更大的接触表面积，在MNs回撤时形成更多流体附着面，从而提高提取效能。
研究团队采用摩方精密面投影微立体光刻（PμSL）3D打印技术（microArch® S240，精度：10μm），在12mm×12mm基座上采用耐高温材料（HTL）打印出15×15 MNs模具。随后，基于主模具制作的PDMS负模成功翻模出GelMA/PVA和PVA/PVP/HA MNs。
图2. 螺旋形GelMA/PVA和PVA/PVP/HA MNs的设计与制备工艺。
此外，本研究还提出了一种创新方法，将MNs与定制涂药器相结合，通过50–100Hz的振动频率提高皮肤穿透效率，从而在离体实验中增强ISF的提取效果。这种动态组合使GelMA/PVA MNs在短短5分钟内快速提取6.41±1.01mg ISF，而PVA/PVP/HA MNs在同一时间内提取5.38±0.77mg ISF。
为验证MNs对目标生物标志物（葡萄糖）的回收能力，研究采用温和加热处理，随后使用D-葡萄糖含量检测试剂盒测定葡萄糖浓度。螺旋MNs高效的ISF提取及葡萄糖检测能力表明其在快速、微创生物标志物传感领域具有潜在应用价值，为精准医疗时代的新型诊断技术发展提供了重要技术路径。
原文链接：https://doi.org/10.1038/s41378-024-00850-x
设备链接：https://www.bmftec.cn/goods/equipment/6
