研究背景
体液中生物标志物的定量检测是健康监测、临床诊断和运动表现评估的核心手段，但现有采样方式存在显著局限性：
- 血液采样：有创、疼痛、存在感染风险，且无法实现频繁自我监测
- 无创体液（尿液/唾液/汗液）：生物标志物浓度低、波动大，难以反映真实生理状态
- 间质液(ISF)：包围细胞和组织，生物标志物浓度与血浆高度相关，且皮肤来源易于获取，但表皮屏障阻碍了液体交换
现有间质液采集技术中，微针(MN)贴片是最具潜力的微创方案，但传统制备技术存在三大瓶颈：
- 模具复制法：成本高、设计固定，无法个性化定制
- 逐层3D打印：效率低、分辨率不足，且光交联机制限制了材料选择
- 多孔微针传统工艺：需高温或腐蚀性蚀刻液，且难以与柔性器件异质集成
本研究旨在开发一种低成本、高效率的增材制造方法，解决上述问题，实现多孔微针的按需制备与柔性集成。
研究内容与实验方法
1. 纳米复合油墨配方与制备
核心配方（最佳配比）
| 组分 | 规格/参数 | 作用 |
|---|---|---|
| 醋酸纤维素(CA) | 乙酰基39.8wt%，羟基3.5wt%，20w/v% | 基底聚合物，提供亲水性、机械强度和生物相容性 |
| 二甲基亚砜(DMSO) | 分析纯 | 溶剂，溶解CA |
| 气相二氧化硅纳米颗粒 | AEROSIL 200，120℃真空干燥12h，22wt% | 流变改性剂，形成屈服应力流体网络 |
制备步骤
- 将醋酸纤维素溶解于DMSO中，配制成20w/v%的聚合物溶液
- 加入干燥后的二氧化硅纳米颗粒
- 使用行星式搅拌机以1000rpm转速混合10min，形成无气泡的均匀分散体
流变特性
- 低剪切速率下：类固体行为，储能模量(G')>损耗模量(G'')，可保持打印形状
- 高剪切速率下：显著剪切变稀，粘度降低3个数量级，实现顺畅挤出
- 22wt%二氧化硅含量时，G'≈5.6×10⁴Pa，平衡了打印性和形状保持能力
A) CA溶液（左）和纳米复合油墨（右）从针头挤出的光学图像
B) 纳米复合油墨中二氧化硅纳米颗粒链状网络的破坏与恢复示意图
C) 不同气相二氧化硅浓度油墨的粘度随剪切速率的变化曲线
D) 油墨的储能模量(G')和损耗模量(G'')随剪切应力的变化曲线
E) 含16%二氧化硅油墨制备单个微针的过程侧视图（标尺：200μm）
F) 含28%二氧化硅油墨制备单个微针的过程侧视图（标尺：200μm）
G) 不同压力、提拉速度和垂直距离下打印后（上）和相分离后（下）微针的侧视图（标尺：200μm）
2. 直写式（DIW）3d打印墨水绘制多孔微针工艺
设备系统
- 三轴线性运动平台（精度±0.01mm）
- 数字气动调节器（控制油墨挤出）
- Musashi精密针头（HN0.3ND，直径0.3mm）
基底预处理
- 滤纸基底：旋涂20w/v% CA/DMSO溶液（1500rpm，180s）→ 去离子水凝固30min → 80℃干燥30min
- PET/PC/SEBS基底：类似表面改性，自然干燥即可
完整制备流程
- 将制备好的油墨装入10mL注射器，安装在三轴平台上
- 气动挤出油墨至基底表面，同时垂直提拉针头，形成单个微针
- 按照预设路径自动打印微针阵列（如10×10方形阵列）
- 将打印好的微针浸入25℃去离子水凝固浴中1h，通过溶剂-非溶剂交换发生相分离
- 乙醇冲洗后自然干燥，得到具有互连多孔结构的微针
工艺参数调控
| 参数 | 调控范围 | 对微针形貌的影响 |
|---|---|---|
| 挤出压力 | 400-600kPa | 长径比从1.53降至0.91 |
| 提拉速度 | 1-10mm/s | 高度从300μm增至550μm |
| 针头-基底距离 | 250-400μm | 基底直径从250μm增至400μm |
A) 纳米复合油墨直接绘制及去离子水凝固浴相分离的微针制备工艺示意图
B) 滤纸基底上10×10方形阵列的打印后微针（透明）和相分离后微针（白色）光学图像
C) 多孔微针阵列的扫描电镜(SEM)图像及放大的多孔表面SEM图像
D) 多孔微针阵列的荧光显微镜图像（标尺：400μm）
E) 弯曲状态下的多孔微针贴片光学图像
F) 枫叶形状的多孔微针阵列光学图像
G) PET膜、PC膜和SEBS微泡沫基底上的微针阵列光学图像
3. 微针表征与性能测试
形貌与结构表征
- 尺寸：平均高度611±22μm，基底直径402±18μm，尖端直径<8μm
- 孔隙率：34.95%，平均孔径22nm，具有全互连多孔结构
- 基底兼容性：可成功打印在滤纸、PET膜、PC膜和SEBS微泡沫上
力学性能
- 单针压缩断裂力≈360mN，满足皮肤插入的力学要求
- 插入猪皮深度340±47μm，插入小鼠皮肤深度≈200μm，不损伤皮下血管和神经
液体提取性能
- 琼脂糖水凝胶模型：180s内微针完全被液体饱和，10min吸水≈11.2mg
- 小鼠体内：1min采集ISF≈3.3mg，10min达到≈6.2mg
- 生物标志物回收率：15000rpm离心20min，回收率>95%
A) 多孔微针的压缩力学行为，插图为原始状态和压缩测试后微针的侧视图（标尺：300μm）
B) 罗丹明B染色微针穿透猪皮后留下的红色斑点阵列光学图像
C) 多孔微针贴片从琼脂糖水凝胶中提取液体的过程图像
D) 微针贴片从琼脂糖水凝胶中吸水量随插入时间的变化曲线（n=5，标尺：1cm）
4. 体外与体内生物标志物检测
体外检测
- 检测指标：葡萄糖(1-16mM)、钙离子(Ca²⁺, 0-15mM)、氯离子(Cl⁻, 0-90mM)
- 检测方法：比色法
- 线性相关性：R²>0.997，检测结果准确可靠
生物相容性评估
- 体外细胞实验：NIH-3T3细胞与微针共培养24h，细胞活力无显著变化
- 体内皮肤实验：微针移除后皮肤微孔40min内消失，24h无炎症细胞浸润
体内动物实验
- 实验动物：ICR雌性小鼠（18-22g），分为正常喂养组和禁食12h组
- 采样方法：拇指按压微针贴片至小鼠背部皮肤，固定10min后移除
- 结果：ISF中生物标志物浓度与血清高度相关，禁食后葡萄糖水平显著降低，Ca²⁺和Cl⁻变化较小
A) 从CA微针贴片中提取和回收目标生物标志物的流程示意图
B) 微针贴片回收的葡萄糖（左）、Ca²⁺（中）和Cl⁻（右）浓度与水凝胶中实际浓度的关系（n=5）
C) 微针贴片应用于小鼠背部皮肤的图像
D) 原始状态（上）和吸附间质液后（下）微针贴片的图像
E) 移除微针贴片后皮肤恢复过程的光学图像
F) 正常小鼠和禁食小鼠间质液与血清中葡萄糖（左）、Ca²⁺（中）和Cl⁻（右）水平的对比（n=10）
研究结论
- 创新制备方法：开发了一种简便、低成本的增材制造技术，通过纳米复合油墨直接绘制多孔微针，无需传统微模具，显著提高了制备效率和设计灵活性
- 核心材料突破：制备了具有屈服应力特性的CA-二氧化硅纳米复合油墨，可通过打印参数精准调控微针的形状和尺寸，实现了高分辨率（尖端<8μm）和高长径比微针的制备
- 优异性能表现：所制备的多孔微针具有34.95%的高孔隙率和≈360mN的高机械强度，可快速（10min内）采集间质液，生物标志物回收率>95%
- 柔性集成优势：可直接在多种柔性基底（滤纸、PET、PC、SEBS）上制备微针，实现了非平坦皮肤部位的间质液采样
- 临床应用潜力：成功实现了小鼠体内葡萄糖、Ca²⁺和Cl⁻等关键生物标志物的定量检测，结果与血清检测高度一致，且具有良好的生物相容性和安全性
该研究为多孔微针的按需制备和异质集成提供了新策略，未来有望实现与可穿戴电子设备的结合，开发出实时、无创的透皮健康监测系统。
论文基本信息
| 中文标题 | 通过纳米复合油墨直接绘制多孔微针用于透皮收集间质液 |
| 英文标题 | Porous Microneedles Through Direct Ink Drawing with Nanocomposite Inks for Transdermal Collection of Interstitial Fluid |
| 通讯作者 | Qian Wang, Xinghai Ning, Desheng Kong（南京大学） |
| 共同第一作者 | Yushuang Pang, Yanyan Li |
| 发表期刊 | Small（Wiley-VCH，IF=15.153） |
| 发表时间 | 2024年1月23日在线发表 |
| 卷期页码 | 2024, 20, 2305838 |
| DOI | 10.1002/smll.202305838 |
| 基金支持 | 国家重点研发计划、国家自然科学基金、南京大学优秀博士生计划等 |
