自供电贴片无需抽血即可监测生物标志物

图片来源：北卡罗来纳州立大学

研究人员开发了一种自供电微针贴片，无需抽血、无需依赖电池或外部设备即可监测一系列健康生物标志物。在利用合成皮肤进行的概念验证测试中，研究人员证明，该贴片可以在 15 分钟到 24 小时内收集生物标志物样本。

“生物标志物是生物过程的可测量指标，可以帮助我们监测健康状况和诊断医疗状况，”该研究论文的通讯作者迈克尔·丹尼尔 (Michael Daniele) 表示，该论文发表在《芯片实验室》杂志上。

绝大多数传统生物标志物检测依赖于采集血液样本。采集血液样本不仅对大多数人来说不方便，也给医疗专业人员和技术开发人员带来了挑战。这是因为血液是一个复杂的系统，需要先去除血小板、红细胞等，然后才能对相关液体进行检测。

“我们开发的贴片使用微针对皮肤最外层细胞下方的真皮层和表皮层细胞周围的液体进行取样，”丹尼尔说道，他是北卡罗来纳州立大学电气工程教授，也是北卡罗来纳州立大学和北卡罗来纳大学教堂山分校兰佩联合生物医学工程系的教授。

这被称为真皮间质液 (ISF)，它几乎包含血液中发现的所有生物标志物。更重要的是，ISF 样本更“干净”——它不需要像血液那样经过处理才能进行检测。从本质上讲，它简化了生物标志物检测流程。

具体来说，丹尼尔和他的同事们制作了一种完全被动的微针贴片，它不依赖电池或外部能源来采集或储存肠内液体样本。它的工作原理如下。

该贴片由四层组成：聚合物“外壳”——也就是贴片上肉眼可见的部分；一层凝胶；一层纸；以及微针本身。微针由一种接触间充质干细胞（ISF）时会膨胀的材料制成。ISF 会通过微针吸收，就像水通过纸巾吸收一样——直到接触到纸。

当纸开始吸收ISF时，液体会与纸另一侧的凝胶接触。该凝胶含有高浓度的甘油。凝胶和ISF之间的甘油不平衡会产生渗透压，促使更多的ISF渗透纸层，直至纸层饱和。

“这张纸就是储存ISF的地方，”丹尼尔说。“当你取下贴片时，就可以取出纸条，然后分析样本。”

研究人员在两种合成皮肤模型上测试了该贴片。

“效果很好，”丹尼尔说。“这些贴片只需15分钟就能收集到可测量的结果，并且能够保存生物标志物样本至少24小时。”

为了进行概念验证测试，研究人员监测了皮质醇——一种在一天中波动的压力生物标志物。

“这意味着人们可能希望每天监测多次，而无需反复抽血，”丹尼尔说。“而且这种贴片对ISF中发现的许多生物标志物没有理由不起作用。”

这些贴片的另一个吸引人的地方是它们是由相对便宜且广泛可用的材料制成的。

“贴片最大的成本在于制造微针，但我们认为其价格与血液检测的成本相比很有竞争力，”丹尼尔说。“抽血需要小瓶、针头，通常还需要采血师。而贴片完全不需要这些东西。”

研究人员已经开始对这些贴片进行人体测试，并正在开发电子设备来“读取”微针贴片上的纸条。

“我们已经开发出一种可以从纸条上‘读取’皮质醇水平的电子设备，并且正在研发另一种可以评估不同生物标志物的设备，”丹尼尔说。

“我们目前正在寻找两个领域的行业合作伙伴。我们很乐意与诊断领域的公司洽谈，探索更多应用；我们也希望与潜在合作伙伴探讨扩大生产规模。”