西工大文丹教授AM：基于金属水凝胶的可穿戴微针贴片实现皮肤间质液蛋白标志物实时监测

蛋白生物标志物是生理与病理状态的关键指标，在疾病诊断与健康监测中具有重要作用。然而，传统检测方法如ELISA和质谱法存在耗时长、无法连续监测等局限。尽管可穿戴生物传感器在代谢物检测中展现出潜力，但由于蛋白在间质液中的浓度较低、采样效率低以及系统集成难度大，实现蛋白标志物的实时、原位监测仍面临严峻挑战。

近日，西北工业大学文丹教授课题组报道了一种集成金属水凝胶信号探针的可穿戴微针贴片，用于实时监测皮肤间质液中的免疫球蛋白G。该贴片采用中空微针阵列实现快速间质液提取，并在5分钟内采集5.6微升液体。基于铁锚定在聚多巴胺功能化金凝胶上的信号探针，系统在离体与活体模型中均表现出0.05纳克/毫升的检测限，并实现了无线、实时、连续的IgG监测。相关论文以“Wearable Microneedle Patch Integrated with Metal Hydrogel-Based Signal Probe for Dermal Interstitial Fluid Protein Biomarkers Monitoring”为题，发表在

Advanced Materials

该w-MN贴片由三部分组成：中空微针阵列、电化学传感芯片与模块化封装腔室。微针阵列通过仿真优化几何参数，实现高效、微创的间质液提取；传感芯片采用Au gel@PDA-Fc作为信号探针，其多孔结构与共价锚定策略提升了探针负载量与稳定性。系统集成后，可在活体大鼠中进行原位采样与实时信号传输。

图1展示了w-MN贴片的整体设计：微针阵列用于原位提取间质液，Au gel@PDA-Fc探针通过希夫碱反应构建，并用于蛋白标志物的电化学检测，系统通过智能手机界面实现动态监测。图2详细表征了信号探针的合成与性能：扫描与透射电镜显示其具有多孔互联结构，XPS与FT-IR证实Fc-CHO成功接枝，电化学测试显示其具有优异的稳定性和亲水性。

图1. 可穿戴微针贴片示意图。 A) 中空微针阵列用于原位提取间质液的设计。 B) Au gel@PDA-Fc电化学信号探针的制备及其在蛋白标志物检测中的传感原理。 C) w-MN贴片系统级集成，用于活体大鼠中IgG水平的动态监测。

图2. Au gel@PDA-Fc信号探针的表征。 A) Au gel@PDA-Fc合成过程示意图。 B) SEM图像，插图为Au gel@PDA-Fc气凝胶实物照片。 C,D) TEM图像。 E) PDA膜与金凝胶韧带厚度分布直方图。 F) HAADF-STEM图像及相应元素分布图。 G) Au gel、Au gel@PDA与Au gel@PDA-Fc的N 1s高分辨率XPS谱图。 H) XPS分析得出的C–N键含量直方图。 I) Au gel、Au gel@PDA与Au gel@PDA-Fc的Fe 2p高分辨率XPS谱图。 J) Au gel、Au gel@PDA与Au gel@PDA-Fc的FT-IR谱图。 K) Au gel@PDA-Fc/GCE在0.1 M PBS中的循环伏安曲线。 L) Au gel@PDA-Fc/GCE与Au gel-Fc/GCE在50次连续CV循环后电流信号保留率直方图。 M–N) 裸GCE与Au gel@PDA-Fc/GCE的水接触角数字照片。 O) 水接触角测量值直方图。

图3评估了免疫传感器的分析性能：阻抗与伏安曲线验证了免疫复合物的逐步组装，计时电流响应显示在PBS与人工间质液中均具有0.1–1000纳克/毫升的线性范围与0.05纳克/毫升的检测限。传感器在复杂生理环境中表现出高选择性、重现性与长期稳定性。图4通过仿真与实验验证了微针阵列的提取能力：优化后的针体在5分钟内提取7.3微升液体，为目前微针采样系统最高效率，且在大鼠皮肤上实现微创穿透与快速恢复。

图3. 电化学免疫传感器分析性能评估。 A) 传感器构建与信号转导机制示意图。 B) 电极组装过程的Nyquist图。 C) 逐步修饰的DPV曲线。 D,E) 在PBS中的计时电流响应及相应校准曲线。 F,G) 在人工间质液中的计时电流响应及相应校准曲线。 H) 免疫传感器对IgG及各种潜在干扰物质的归一化电流响应。 I) 五个不同SPE在人工间质液中的归一化电流响应直方图。 J) 在人工间质液中连续四周测量的归一化电流响应直方图。

图4. HMN阵列的间质液提取能力评估。 A–D) 使用不同几何参数HMN进行流体提取的COMSOL模拟。 E) 不同HMN配置下模拟提取体积随时间变化曲线。 F) 皮肤模拟琼脂凝胶与猪皮在HMN插入后的光学照片。 G) 大鼠背部皮肤在HMN插入后的光学照片。 H) 使用HMN阵列从皮肤模拟琼脂凝胶中提取液体的光学照片。 I) 从实验数据得出的时间依赖性提取体积。 J) 提取效率与文献中其他MN采样系统的比较直方图。

图5展示了贴片在离体与活体环境中的实际应用：在模拟凝胶与猪皮模型中，贴片实现对IgG的连续监测；在活体大鼠中，系统通过无线电路实时输出IgG浓度，结果与商用ELISA试剂盒高度一致。此外，贴片在免疫缺陷大鼠模型中也成功监测到低IgG水平，验证其在病理状态下的可靠性。

图5. 使用w-MN贴片进行离体与体内传感。 A) w-MN贴片用于ISF提取与IgG传感的示意图。 B) 柔性传感芯片在不同弯曲角度下的照片及相应电流响应。 C,D) w-MN贴片在模拟凝胶与猪皮模型中的分析性能。 E) 信号转导过程与无线数据传输示意图。 F) IgG浓度与电化学响应的校准曲线。 G) 不同大鼠中IgG浓度水平的彩色图谱。 H) ISF中IgG水平的实时监测及相应输出信号。 I) 通过w-MN贴片测量的大鼠ISF中最终IgG浓度并通过智能手机界面显示。 J) w-MN贴片与商用ELISA试剂盒测量的IgG浓度比较。

该研究成功开发了一种集成采样与传感的可穿戴微针平台，实现了蛋白标志物的微创、连续、实时监测。该系统灵敏度高、稳定性强，且可通过更换识别元件扩展至其他生物标志物检测，为精准医疗与下一代可穿戴健康技术提供了有力工具。