微振動輔助雙層螺旋微針快速提取真皮間質液用于葡萄糖的微創檢測

作為現代醫學診斷體系的核心載體，血液分析憑借其生理指標的全譜系覆蓋能力，在疾病篩查、療效評估等臨床場景中持續承擔關鍵功能，但仍面臨著雙重問題：其一，靜脈穿刺作為侵入性操作易引發患者痛感體驗與潛在醫源性感染風險；其二，在資源有限地區難以普及。盡管唾液、汗液等新興替代性樣本源在無創檢測領域展現應用潛力，但其內源性生物標志物濃度顯著低于血液基質，加之復雜基質效應對檢測靈敏度的衰減作用，難以滿足精準醫療對痕量標志物的定量檢測要求。

間質液（ISF）作為人體循環系統的重要組成部分，是以無色透明液態形式存在于血管外與細胞間隙的體液介質，在維持組織微環境穩態中承擔著關鍵物質運輸功能。然而傳統ISF采集技術存在明顯局限性，吸皰法通過負壓刺激表皮分離、超聲透皮法則依賴物理能量穿透皮膚屏障，二者均會破壞角質層完整性并造成局部組織損傷，導致樣本污染風險與創面愈合問題。在此背景下，微針技術憑借其生物相容性優勢實現了技術突破，以微米級針體無痛穿透角質層屏障，在確保真皮層結構完整性的前提下完成ISF精準捕獲，區別于傳統皮下注射針具的侵入式操作方式。

當前水凝膠材料在可溶脹微針研發領域已取得系列進展，但現有技術普遍存在體液提取效率瓶頸，單次采集耗時長達10至15分鐘且提取量僅有3-5mg。基于此，南昆士蘭大學與伯明翰大學研發團隊創新性地開發出兩種螺旋構型可溶脹微針陣列（MNs）：甲基丙烯酰化明膠/聚乙烯醇（GelMA/PVA）MNs和聚乙烯醇/聚乙烯吡咯烷酮/透明質酸（PVA/PVP/HA）MNs，通過材料協同效應實現間質液快速捕獲。

相關研究以“Micro-vibration assisted dual-layer spiral microneedles to rapidly extract dermal interstitial fluid for minimally invasive detection of glucose"為題發表在國際期刊《microsystems & nanoengineering》上。

根據實驗數據顯示，兩種MNs在ISF環境中10分鐘內即達到560±79.6%與370±34.1%的顯著溶脹率，突破性地將傳統技術所需的體液提取時間壓縮至10分鐘以內，展現出在實時診斷領域替代傳統血液檢測技術的工程應用潛力。

MNs采用螺旋結構設計，通過整合0.15mm和0.20mm兩種規格的方形單元構建而成。單元間距為0.4mm，針尖與基座均設計為圓形結構。初始設計的MNs高度為1mm，針尖直徑0.02mm，基座直徑0.3mm，針間距設定為0.40mm。這種螺旋結構的主要優勢在于其互鎖特性可提升ISF提取效率——螺旋設計增加的結構頂點數能增強穿刺穩定性，降低使用過程中的位移風險。相較于傳統錐形結構，螺旋造型還能提供更大的接觸表面積，在MNs回撤時形成更多流體附著面，從而提高提取效能。

研究團隊采用摩方精密面投影微立體光刻（PμSL）3D打印技術（microArch® S240，精度：10μm），在12mm×12mm基座上采用耐高溫材料（HTL）打印出15×15 MNs模具。隨后，基于主模具制作的PDMS負模成功翻模出GelMA/PVA和PVA/PVP/HA MNs。

此外，本研究還提出了一種創新方法，將MNs與定制涂藥器相結合，通過50–100Hz的振動頻率提高皮膚穿透效率，從而在離體實驗中增強ISF的提取效果。這種動態組合使GelMA/PVA MNs在短短5分鐘內快速提取6.41±1.01mg ISF，而PVA/PVP/HA MNs在同一時間內提取5.38±0.77mg ISF。

為驗證MNs對目標生物標志物（葡萄糖）的回收能力，研究采用溫和加熱處理，隨后使用D-葡萄糖含量檢測試劑盒測定葡萄糖濃度。螺旋MNs高效的ISF提取及葡萄糖檢測能力表明其在快速、微創生物標志物傳感領域具有潛在應用價值，為精準醫療時代的新型診斷技術發展提供了重要技術路徑。