微针无痛_参考网

微针无痛

2023-03-01王涵玉北京科技大学

大学生 2023年2期

文/王涵玉（北京科技大学）

传统的生物检测方法不仅成本高，而且特别需要专业人员的操作，导致检测的步骤十分繁琐，普通患者不能自己动手检测，且需要很长的时间才能得到检测结果。针对于这些难点，现场快检 POCT (point-of-care testing) 被提出，即在现场进行采样并使用便携式的分析检测仪器以及配套的试剂和试纸, 在病人身边进行快速分析、准确诊断并现场快速得到检测结果。实现了仪器的小型化、操作过程简便化、检测现场实时化，体现了当代科技的信息化。当然，POCT技术的实现离不开微针技术。微针，顾名思义，即细小的针，通常它的针长在 50 ～ 2000 微米之间，针尖直径在1 ～ 100微米之间，由于微针的长度短，可以恰好穿过角质层同时又不会触及痛觉神经，常被认为无痛且微创。

糖尿病作为对人类健康影响最严重的疾病之一，近年来已越来越受到人们的关注，在现在的各种血糖检测技术中，高准确性和无痛优点的微创检测技术深受人们的欢迎，微针通常作为微创检测中最常用的器件。在传统的生物检测中，大部分检测需要采集血液或组织间液，这就产生了不可避免的穿刺皮肤的疼痛感和开放性的创口，给病患带来心理压力和生理创伤，尤其是像糖尿病这类需要频繁进行检测的患者。这种传统检测产生了大量医疗废弃物如针头、检测试纸等，不仅带来一系列环境污染问题，同时造成了资源浪费，更严重的是，在一些发展中国家可能会重复使用未经消毒或不正确消毒的针头造成常见的血源性疾病的传播。在医疗安全和废物处理方面，没有经过培训的人很难在家中将自行使用的皮下注射针头和注射器等废弃物进行正确处理，带来严重的安全隐患；另一方面，有一部分人尤其是儿童存在针头恐惧症，使他们不愿意寻求常规的医疗护理以致疾病无法得到有效的治疗。

通过将微针与药物或生物传感器的结合，可以实现无痛微创的药物输送和体液生物标志物的检测，经过特殊设计的微针还能够对体液中目标物质的浓度进行实时监测，延长单次检测的有效时间，减少了长期反复采集体液带来的痛苦。另外，微针结构简单、制作成本低、操作简便的特点还消除了实验废弃物存在安全隐患和造成环境污染、资源浪费的问题，同时也让低收入地区的患者能够承担得起治疗费用，以及能够自我诊断而不再依靠专门的设备和专业人员的监督。相比于传统的检测方式，微针贴片可以根据患者所喜爱而设计成不同的图案和排列方式，像文身贴片一样。我们的微针也通过在不同区域的针尖里装载不同的检测试剂，可以实现一个微针贴片，同时检测不同的生物标志物的功能，方便又快捷。此外，微针贴片还可以减少检测试剂与空气的直接接触，提高了试剂的有效性。

对广大糖尿病患者群体来说，现行常规的检测方法是指尖釆血法检测血糖（如图1），大概统计，每人每天平均手指采血次数为7次，这种方式只能获得单一时间点的血糖浓度，无法对糖尿病患者全天的血糖浓度进行监测。基于微针贴片的血糖监测设备的出现为这些问题带来了解决方法。用基于微针贴片的检测方法，微针所注射的检测试剂可以在之后的7天左右时间里停留在人表皮中，并且会随着组织间液中的血糖浓度的变化作出相应的颜色反应，为患者提供实时的连续的血糖监测。可以预见，如果这些新型的微针血糖检测设备能够得到大面积的推广使用，那么全世界将会有更少的医疗废物产生，更少的人因为糖尿病死亡，更少的医疗卫生支出花费在糖尿病上。微针的形状和结构通常因使用场景和功能需求的不同而不同，其精细的结构导致其很难在短时间内大量生产。3D 打印可以制备复杂的组合和几何形状，可以对微针的长度和形状进行精确的控制，可用于制备定制化微针以满足患者的需求。3D 打印技术既不需要复杂昂贵的制造设施，也不需要微细加工方面的专业知识。

我们利用3D打印技术通过倒模法制备了不同直径与高度的微针模型并制备出微针成品。我们分析了微针成品与微针模型设计参数之间的数据差异，并通过力学强度测试以及微针插入猪皮实验筛选出最佳直径与高度微针参数即穿刺效果最好的微针，为后续基于微针贴片的血糖检测打下坚实的基础。

在实验的过程中，由于对微针的长径比、角度的设计不能一步到位，需要很多的数据支持来确定一个最佳的微针参数，需要大量的人力，以及后续智能手机识别色度的软件的开发，由于对软件开发没有尝试过，所以可能需要投入大量的时间与信息来完成血糖软件的设计。在绘图方面，作为科研小白的我第一次接触到用AI软件来绘图，完全自学了该软件，来绘制实验过程中的示意图。

虽然迄今为止大多数低成本的 3D 打印微针显示出低纵横比和较差的尖端锐度，但团队会努力实验，获得高纵横比的微针，满足患者的使用需求。我们或许能在不久的将来看到微针驱动的多路传感设备的面世。在进一步推进研究中，随着低功耗电子设备、无线通信技术和自供电生物传感器技术不断取得重大突破，小型化的无电池微针传感的电化学设备也将逐渐出现在我们的生活中。通过针对不同用户进行个性化定制，这些新型的微针生物传感器将在智慧医疗保健服务中发挥核心的作用（如图2）。微针传感器与物联网、大数据和人工智能相结合，传感器检测生物标志物并将结果上传到云端。由医生或人工智能结合病人的医疗记录进行远程诊断，之后医疗决策触发微针中的预载药物释放到患者体内。患者将从这种新型的医疗保健模式的分散化治疗中受益，在家中就能进行疾病治疗，解决医疗资源短缺的问题。