據(jù)麥姆斯咨詢介紹，南京工業(yè)大學(xué)藥學(xué)院藥物分析教研室楊雪嬌副教授、高兵兵副教授、新加坡國(guó)立大學(xué)Chwee Teck Lim院士近期在英國(guó)皇家化學(xué)會(huì)旗下重要期刊Nanoscale Horizons發(fā)表了綜述文章，系統(tǒng)回顧了微針（Microneedles, MNs）與微流控（Microfluidics）技術(shù)融合在智能醫(yī)療可穿戴設(shè)備中的關(guān)鍵進(jìn)展，并提出了多功能集成平臺(tái)在慢性病管理、創(chuàng)面治療、遠(yuǎn)程診斷等多場(chǎng)景下的應(yīng)用前景。
文章聚焦于將微創(chuàng)穿刺能力出色的微針技術(shù)與可實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)液體操控的微流控系統(tǒng)有機(jī)結(jié)合，打造集實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)、生物信號(hào)采集與藥物遞送于一體的下一代智能可穿戴設(shè)備。作者對(duì)當(dāng)前主流的微針結(jié)構(gòu)類型，包括空心、孔狀、仿生、多層復(fù)合型等，進(jìn)行了詳盡介紹，分析其在增強(qiáng)生物相容性、力學(xué)性能、響應(yīng)性給藥與智能感知中的關(guān)鍵作用。同時(shí)，作者系統(tǒng)梳理了各類天然與合成高分子材料（金屬、絲素蛋白、透明質(zhì)酸、PEGDA等）在微針制造中的性能表現(xiàn)及其微流控適配性，并探討了3D打印、微銑加工等先進(jìn)制備技術(shù)的賦能路徑。
文章指出，將微針作為微流控系統(tǒng)的“接口”，不僅顯著提升了體液采集的效率與精準(zhǔn)度，還為閉環(huán)治療（如葡萄糖監(jiān)測(cè)與胰島素釋放系統(tǒng)）提供了技術(shù)支撐。研究特別強(qiáng)調(diào)仿生微針結(jié)構(gòu)在藥物釋放調(diào)控、組織貼合性及摩擦電驅(qū)動(dòng)中的創(chuàng)新設(shè)計(jì)，為構(gòu)建具備自適應(yīng)反饋調(diào)控能力的智能治療平臺(tái)奠定了基礎(chǔ)。此外，文中還歸納了多項(xiàng)在智能創(chuàng)傷愈合、皮膚傳感、神經(jīng)接口等方向的最新成果，提出通過(guò)集成AI算法、可穿戴通訊模塊與生物兼容能源系統(tǒng)，有望實(shí)現(xiàn)從“診斷-決策-干預(yù)”一體化的全閉環(huán)精準(zhǔn)醫(yī)療。
本綜述的發(fā)表為微針與微流控系統(tǒng)的深度融合提供了系統(tǒng)性理論框架與實(shí)踐路徑，不僅促進(jìn)多學(xué)科交叉協(xié)同，也為開發(fā)下一代智能醫(yī)療可穿戴技術(shù)提供了重要參考。
南京工業(yè)大學(xué)藥學(xué)院碩士生李新為論文第一作者，藥學(xué)院藥物分析教研室楊雪嬌講師、高兵兵副教授、新加坡國(guó)立大學(xué)Lim Chwee Teck教授為論文的通訊作者。
研究背景
聚焦于下一代智能醫(yī)療可穿戴設(shè)備的創(chuàng)新與發(fā)展，特別是通過(guò)整合微流控技術(shù)與微針系統(tǒng)，以應(yīng)對(duì)當(dāng)前醫(yī)療保健領(lǐng)域的挑戰(zhàn)并提升患者護(hù)理水平。當(dāng)前，隨著人工智能的飛速發(fā)展和其在生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的滲透，高通量微流控系統(tǒng)正被人工智能加速，展現(xiàn)出在生物醫(yī)學(xué)應(yīng)用中處理微量樣本和進(jìn)行復(fù)雜分析的巨大潛力。同時(shí)，微流控技術(shù)也被證明能夠?qū)崿F(xiàn)個(gè)性化的藥物遞送，為精準(zhǔn)醫(yī)療提供了新的途徑。這些進(jìn)步共同為開發(fā)更高效、更個(gè)性化的智能醫(yī)療解決方案奠定了基礎(chǔ)。
此外，微針技術(shù)作為一種微創(chuàng)給藥和生物采樣方式，近年來(lái)也受到了廣泛關(guān)注。它能有效穿透皮膚角質(zhì)層而不觸及神經(jīng)和血管，顯著降低了傳統(tǒng)注射方式的疼痛和感染風(fēng)險(xiǎn)。更值得一提的是，人工智能輔助的生物信息學(xué)與微針技術(shù)的結(jié)合，在糖尿病傷口愈合等領(lǐng)域展現(xiàn)出巨大的應(yīng)用潛力。本研究旨在將微流控的精確流體控制能力與微針的微創(chuàng)生物界面相結(jié)合，克服現(xiàn)有可穿戴設(shè)備在生物信息獲取和藥物遞送方面的局限性，從而開發(fā)出能夠?qū)崿F(xiàn)更有效、更個(gè)性化、更便捷的下一代智能醫(yī)療可穿戴設(shè)備，滿足日益增長(zhǎng)的醫(yī)療保健需求。
圖1 下一代可穿戴設(shè)備：微針和微流控系統(tǒng)的集成
下一代微針類型
主要包括中空微針、多孔微針、微針陣列、多層復(fù)合微針和仿生微針等類型。中空微針利用微米級(jí)孔道實(shí)現(xiàn)無(wú)痛藥物輸送和生物流體采樣；多孔微針憑借高比表面積和光熱響應(yīng)特性實(shí)現(xiàn)可控藥物釋放；高密度微針陣列可精準(zhǔn)穿透組織并集成傳感功能；多層復(fù)合微針通過(guò)模塊化設(shè)計(jì)平衡機(jī)械強(qiáng)度與生物相容性；仿生微針則模擬自然生物結(jié)構(gòu)優(yōu)化流體傳輸和組織粘附。這些微針通過(guò)與微流控、柔性電子和AI技術(shù)的融合，正推動(dòng)智能閉環(huán)診療系統(tǒng)的發(fā)展，在傷口愈合、慢性病管理和個(gè)性化醫(yī)療等領(lǐng)域展現(xiàn)出廣闊應(yīng)用前景。
圖2 不同結(jié)構(gòu)微針示意圖
智能可穿戴設(shè)備中的微針
微針技術(shù)與智能可穿戴設(shè)備的結(jié)合開創(chuàng)了醫(yī)療監(jiān)測(cè)與治療的新范式。通過(guò)將微針陣列集成于柔性貼片平臺(tái)，這些設(shè)備能夠無(wú)痛穿透皮膚屏障，實(shí)現(xiàn)三大核心功能：生物電化學(xué)界面用于神經(jīng)信號(hào)監(jiān)測(cè)和電刺激治療，如癲癇和帕金森病的閉環(huán)管理；生物燃料電池利用組織液中的葡萄糖自主供電，支持持續(xù)血糖監(jiān)測(cè)和藥物遞送；可視化采樣系統(tǒng)通過(guò)微針采集組織間液，結(jié)合比色傳感和機(jī)器學(xué)習(xí)算法實(shí)現(xiàn)多種生物標(biāo)志物的實(shí)時(shí)分析。這些創(chuàng)新設(shè)計(jì)突破了傳統(tǒng)表面電極的局限，兼具微型化、舒適性和無(wú)線傳輸優(yōu)勢(shì)，為糖尿病管理、慢性傷口護(hù)理等長(zhǎng)期醫(yī)療需求提供了革命性的解決方案，標(biāo)志著個(gè)性化醫(yī)療向智能化、無(wú)創(chuàng)化方向的重要演進(jìn)。
圖3 智能可穿戴設(shè)備中的微針主要功能示意圖
用于傳感和藥物遞送的微流控
微流控技術(shù)與微針的結(jié)合為精準(zhǔn)醫(yī)療提供了突破性解決方案。在傳感方面，微流控系統(tǒng)通過(guò)毛細(xì)作用、電滲流等原理實(shí)現(xiàn)微量組織間液的高效采集，并與電化學(xué)、等離子體或比色傳感技術(shù)結(jié)合，可對(duì)葡萄糖、尿酸等生物標(biāo)志物進(jìn)行高靈敏度實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。在藥物遞送領(lǐng)域，微流控通道與響應(yīng)性微針的協(xié)同作用實(shí)現(xiàn)了按需給藥的智能調(diào)控，如血糖觸發(fā)的胰島素釋放或光熱響應(yīng)的抗生素遞送。特別值得注意的是，這些系統(tǒng)已發(fā)展出"檢測(cè)-反饋-治療"的閉環(huán)模式，通過(guò)集成AI算法分析生理信號(hào)并動(dòng)態(tài)調(diào)整給藥方案。當(dāng)前技術(shù)挑戰(zhàn)包括提高流體提取效率、優(yōu)化傳感器穩(wěn)定性以及解決規(guī)?；a(chǎn)問題，但隨著柔性電子和自供能技術(shù)的發(fā)展，微針-微流控集成系統(tǒng)正推動(dòng)著個(gè)性化醫(yī)療向智能化、自動(dòng)化方向快速演進(jìn)。
圖4 （a）糖尿病足上受感染的慢性不愈合傷口上的柔軟可穿戴貼片示意圖。（b）組織液中閉環(huán)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的示意圖，帶有用于葡萄糖檢測(cè)和胰島素輸送的微針。（c） 安裝在人體前臂上的 SAB 的光學(xué)圖像，帶有放大的細(xì)節(jié)。（d） 由四個(gè)集成 SAB 供電的微電子器件的光學(xué)圖像，可以監(jiān)測(cè)活動(dòng)狀態(tài)、體溫、脈搏率和血氧飽和度等生理信號(hào)。（e）PETAL 傳感器粘附在燒傷傷口上的圖示，用于使用 PETAL 傳感器的詳細(xì)逐層結(jié)構(gòu)對(duì)傷口愈合狀態(tài)進(jìn)行比色分析。
結(jié)論與展望
微針與微流控技術(shù)的融合為智能可穿戴醫(yī)療設(shè)備開辟了革命性前景，但仍面臨關(guān)鍵挑戰(zhàn)。當(dāng)前技術(shù)瓶頸主要集中在組織間液高效采集、長(zhǎng)期機(jī)械穩(wěn)定性與生物相容性平衡，以及規(guī)?；a(chǎn)工藝優(yōu)化等方面。未來(lái)發(fā)展方向?qū)⒊尸F(xiàn)三大趨勢(shì)：一是智能化閉環(huán)系統(tǒng)的完善，通過(guò)AI算法實(shí)現(xiàn)多指標(biāo)動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)與精準(zhǔn)給藥的自主調(diào)控；二是新型材料的突破，包括自修復(fù)、可降解及環(huán)境響應(yīng)型材料的開發(fā)應(yīng)用；三是系統(tǒng)集成度的提升，結(jié)合柔性電子、無(wú)線傳輸和自供能技術(shù)實(shí)現(xiàn)全功能一體化。產(chǎn)業(yè)層面，全球已有多個(gè)初創(chuàng)企業(yè)將微針技術(shù)推進(jìn)至臨床試驗(yàn)和市場(chǎng)轉(zhuǎn)化階段。隨著跨學(xué)科協(xié)作的深入，這類技術(shù)有望在未來(lái)5-10年內(nèi)實(shí)現(xiàn)從慢性病管理到即時(shí)診斷的全面臨床應(yīng)用，最終推動(dòng)醫(yī)療模式向個(gè)性化、預(yù)防性和去中心化方向轉(zhuǎn)型。
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