پیشرفت در فناوری حسگر زیستی میکرونیدل برای نظارت بر سلامت پوشیدنی با حداقل تهاجم

1. بررسی اجمالی

میکرونیدل‌ها (MNs) دستگاه‌های واسط پوستی با مقیاس میکروسکوپ کم تهاجمی هستند که بدون درد به لایه شاخی پوست نفوذ می‌کنند. آنها به طور گسترده برای دارورسانی از طریق پوست و استخراج مایع بینابینی پوستی (ISF) مورد استفاده قرار می گیرند. پوست به عنوان بزرگ‌ترین اندام انسان، متابولیت‌ها، پروتئین‌ها، یون‌ها و بیومارکرهای بیماری‌زای فراوانی را در مایع بینابینی حفظ می‌کند که می‌تواند وضعیت فیزیولوژیکی و پاتولوژیک را به دقت منعکس کند و از پیش آگهی بیماری، نظارت پویا و ارزیابی فارماکودینامیک پشتیبانی کند. در مقایسه با جمع‌آوری خون وریدی معمولی و آزمایش نوک انگشت، فناوری میکروسوزن دارای حداقل تهاجم،{4}}عملکرد بدون درد، جابجایی آسان و{5}}قابلیت نظارت مستمر طولانی‌مدت است که آن را برای مدیریت بیماری‌های مزمن، مراقبت‌های بهداشتی در منزل و نظارت{6}در زمان واقعی ایده‌آل می‌کند.

به طور سنتی، میکرونیدل ها عمدتاً به عنوان حامل های انتقال پوستی برای داروها و واکسن ها عمل می کردند. در سال‌های اخیر، این زمینه شاهد یک تغییر پارادایم قابل‌توجه بوده است: میکروسوزن‌ها به‌طور فزاینده‌ای به‌عنوان پلت‌فرم‌های حسگر زیستی با کارایی بالا برای کارایی بالا، تشخیص سریع و دقیق بیماری و نظارت بر سلامت توسعه می‌یابند. روش‌های سنجش پیشرفته و بهینه‌سازی ساختاری، دقت، دقت و حساسیت حسگرهای زیستی مبتنی بر MN را به‌طور قابل‌توجهی بهبود بخشیده است و یک مسیر فنی جدید برای پزشکی شخصی‌سازی‌شده، نقطه-آزمایش-مراقبت و مدیریت بهداشت از راه دور ارائه می‌دهد.

در 26 سپتامبر 2023، تیم تحقیقاتی به رهبری پروفسور رایان اف. دانل از دانشگاه کوئینز بلفاست یک بررسی جامع با عنوانسنجش زیستی مبتنی بر میکروسوزن-دربررسی های طبیعت مهندسی زیستی، با دکتر Lalitkumar K. Vora به عنوان اولین نویسنده. این کار برجسته به طور سیستماتیک طبقه‌بندی فنی، مکانیسم‌های سنجش، سناریوهای بالینی و موانع ترجمه بیوسنینگ میکروسوزن را تشریح کرد، و راهنمایی‌های نظری معتبر را برای تکرار تکنولوژیکی و ترجمه صنعتی ایجاد کرد.

2. طبقه بندی و مکانیسم های کاری میکروسوزن های حسگر زیستی

میکروسوزن‌ها میکروکانال‌های گذرا را روی سطح پوست ایجاد می‌کنند تا تحویل سیستمیک داروها و واکسن‌ها از طریق پوست را امکان‌پذیر کنند، مایع بینابینی پوستی را استخراج کنند و خون را ردیابی کنند، یا مانند-الکترودهای پوستی در محل برای تشخیص بیوسیگنال در زمان واقعی{1} عمل کنند. آنها را می توان به عنوان چسب برای نظارت طولانی مدت استفاده کرد یا با اعمال کننده های دستی برای نمونه برداری و تجویز سریع استفاده کرد. با توجه به خواص مواد، طراحی ساختاری و اصول سنجش، شش نوع میکروسوزن جریان اصلی به طور گسترده در حسگر زیستی با عملکردهای متفاوت و سناریوهای کاربردی استفاده می‌شوند.

2.1 میکروسوزن جامد

به عنوان اولین نوع میکروسوزن توسعه یافته، میکروسوزن های جامد عمدتاً از فولاد ضد زنگ یا تیتانیوم از طریق اچینگ یا برش لیزری ساخته می شوند که ساختار ساده و پایداری مکانیکی بالایی دارند. آنها یک استراتژی نمونه‌برداری دو مرحله‌ای را اتخاذ می‌کنند: ریزسوزن‌ها به پوست نفوذ می‌کنند تا میکروکانال‌ها را تشکیل دهند و سپس برداشته می‌شوند و به دنبال آن ISF از طریق فشار منفی یا غشاهای جاذب جمع‌آوری می‌شود. علیرغم ساخت بالغ و هزینه کم، راندمان نمونه برداری نسبتاً پایین آنها کاربرد آنها را در تشخیص-چند نشانگر زیستی با دقت بالا محدود می کند.

2.2 میکروسوزن های روکش دار

میکروسوزن های روکش دار نسخه های ارتقا یافته عملکردی میکروسوزن های جامد هستند. بسترها عبارتند از فولاد ضد زنگ، سیلیکون و پلیمرهایی مانند پلی کربنات و PLA. پوشش‌های کاربردی با نانوذرات فلزی یا مولکول‌های شناسایی زیستی خاص بر روی سطوح سوزنی اصلاح می‌شوند تا به عنوان الکترودهای الکتروشیمیایی عمل کنند. آنها تشخیص هدفمند گلوکز، نشانگرهای عملکرد کلیوی، بیومارکرهای بیماری شریانی محیطی و نشانگرهای تومور را برای نظارت بر بیماری مزمن و غربالگری تومور امکان پذیر می کنند. با این وجود، خطرات زیست سازگاری و جدا شدن پوشش تحت چسبندگی طولانی مدت پوست نیازمند بهینه سازی مواد بیشتر است.

2.3 میکروسوزن متخلخل

میکروسوزن‌های متخلخل زیرگروه تخصصی میکروسوزن‌های جامد هستند که با قالب‌گیری میکرو- با مواد متخلخل در ماتریس‌های پلیمری ساخته می‌شوند. مواد متداول شامل رزین متاکریلات قابل درمان، استات سلولز و PLGA زیست تخریب پذیر است. ریزساختار متخلخل عملکرد مویرگی را افزایش می دهد و جذب ISF را بدون تجهیزات خلاء اضافی سرعت می بخشد. آنها به طور گسترده ای در پایش الکتروشیمیایی گلوکز و ارزیابی پارامترهای فیزیولوژیکی پوست، ترکیبی از راندمان نمونه برداری بالا، زیست سازگاری مطلوب و زیست تخریب پذیری استفاده می شوند.

2.4 میکروسوزن های توخالی

میکروسوزن‌های توخالی یکی از بالغ‌ترین انواع بالینی هستند که از رزین فلز، سیلیکون یا اکریلات با میکروکانال‌های مرکزی ساخته می‌شوند. آنها ISF را استخراج می کنند و خون را از طریق نیروی مویرگی یا فشار منفی ردیابی می کنند و حجم نمونه بزرگتر و پایداری بیشتری نسبت به میکروسوزن های جامد بدست می آورند. مناسب برای نظارت پزشکی با دقت بالا و تشخیص داروی درمانی، آنها به کمک خلاء طولانی‌مدت برای نمونه‌برداری با حجم بالا نیاز دارند که منجر به چرخه‌های تشخیص نسبتاً طولانی می‌شود.

2.5 میکرونیدل هیدروژل

میکروسوزن‌های هیدروژل که از پلیمرهای هیدروفیل{0} متصل متقابل ساخته شده‌اند، قابلیت جذب و نگهداری مایع عالی دارند. پس از قرار دادن پوست، آنها به سرعت مایع بینابینی را جذب کرده و در سیستم‌های{2}}درجای هیدروژل برای جمع‌آوری نمونه با حجم بالا و نظارت طولانی مدت- پایدار می‌شوند. با این حال، فعل و انفعالات بین متابولیت‌های خاص و ماتریس‌های هیدروژل ممکن است باعث از بین رفتن نشانگرهای زیستی و انحراف در تشخیص شود، که نیاز به روش‌های پیچیده قبل از{6}درمانی قبل از تجزیه و تحلیل خارج از بدن است.

2.6 میکروسوزن های قابل حل

میکروسوزن های قابل حل از پلیمرهای زیست سازگار از جمله اسید هیالورونیک و PVP تهیه می شوند. آنها پس از نفوذ به لایه شاخی بدون زخم باقیمانده کاملاً حل می‌شوند و به نمونه‌برداری غیرتهاجمی و تحویل دارو فوق‌العاده-ایمن می‌رسند. ایده‌آل برای کودکان، پوست حساس و سناریوهای{4}}خود پایش خانگی، اینها یک جهت تحقیقاتی کلیدی برای-حسگر زیستی کم تهاجمی نسل بعدی هستند.

3. فناوری‌های حسگر زیستی یکپارچه پلتفرم‌های میکروسوزن

سنجش زیستی میکروسوزن پیشرفته متکی به ادغام عمیق ساختارهای ریزسوزن متنوع و روش‌های حسگر برای ساخت سیستم‌های تشخیص درجا، واقعی{1}}زمان و توان بالا-است. چهار فن‌آوری حسگر جریان اصلی برای پشتیبانی از شناسایی دقیق هدف تکی و تجزیه و تحلیل موازی چند هدفی به طور گسترده مورد استفاده قرار می‌گیرند.

3.1 سنجش الکترونیکی

حسگر الکترونیکی معمولاً با هیدروژل، میکروسوزن‌های متخلخل و توخالی ترکیب می‌شود تا اجزای ISF، عملکرد سد پوست و تعادل الکترولیت را کنترل کند. آنالیت ها بر روی سطوح الکترود از طریق یونتوفورز معکوس برای تجزیه و تحلیل کمی ex vivo یا برای تشخیص در زمان واقعی بهینه می شوند. این فناوری با استفاده از رسانایی طبیعی پوست انسان برای تشکیل مدارهای بسته پایدار، به عنوان چارچوب اساسی برای دستگاه‌های حسگر میکروسوزن پوشیدنی عمل می‌کند.

3.2 سنجش الکتروشیمیایی

به عنوان بالغ ترین و اصلی ترین روش، سنجش الکتروشیمیایی الکترودهای میکروسوزن را با پوشش های کاربردی اصلاح می کند. واکنش‌های بیوشیمیایی خاص بین پوشش‌ها و نشانگرهای زیستی باعث ایجاد تغییرات پتانسیل یا فعلی برای تشخیص کمی گلوکز، اسید لاکتیک، غلظت دارو و یون‌ها می‌شود. دارای پاسخ سریع، حساسیت بالا و قابلیت حمل عالی برای نظارت بالینی-از-مراقبت است.

3.3 سنجش نوری

سنجش نوری عمدتاً با میکروسوزن‌های توخالی برای ساخت سیستم‌های تشخیص نوری ادغام می‌شود. نمونه‌های فوق-میکرو ISF از تجزیه و تحلیل دقیق-برای نظارت بر داروهای درمانی پشتیبانی می‌کنند. این فناوری با پوشش مکانیسم‌های تشخیص ضریب شکست، فلورسانس، جذب و پلاریزاسیون، دارای محدوده تشخیص گسترده، ویژگی بالا و قابلیت ضد تداخل الکترومغناطیسی برای آزمایش‌های غیرتهاجمی با دقت بالا-.

3.4 رامان حسگر

براساس طیف‌سنجی رامان پیشرفته-(SERS)، حسگر رامان میکروسوزن‌ها را با نانوذرات نقره، نانوگل‌های طلا و کاوشگرهای تشخیص خاص اصلاح می‌کند تا شدت سیگنال را تقویت کند. این کار نظارت بر روی گلوکز، متابولیت‌ها و داروهای ردیابی روی پوست را با ویژگی‌های برجسته و عملکرد ضد تداخل-برای تشخیص میکرو-حساسیت بالا-در زمان{3}}درجا امکان‌پذیر می‌سازد.

4. برنامه های اصلی بالینی

با مزایای حداقل تهاجم، تداوم زمانی واقعی و قابلیت حمل-، حسگرهای زیستی میکروسوزن به طور گسترده در مدیریت بیماری های مزمن، تشخیص تومور، غربالگری بیماری های عفونی، نظارت بر دارو و تشخیص اضطراری، توانمندسازی پزشکی شخصی و مراقبت های بهداشتی از راه دور استفاده شده است.

4.1 چند لایه-سنجش مایعات غیرتهاجمی بدن-

میکروسوزن ها به طور دقیق ISF سطحی و عمیق پوستی را استخراج می کنند و خون را ردیابی می کنند و جایگزین رگ های تهاجمی می شوند. آنها به طور کامل در مدیریت دینامیک گلوکز خون برای دیابت به کار می روند و از داده ها پشتیبانی مداوم و پایدار با حداقل درد و تکرارپذیری بالا ارائه می دهند.

4.2 تشخیص سریع تومورها و بیماری های عفونی

میکروسوزن‌ها دقیقاً ریزمحیط‌های تومور و ضایعات عفونت موضعی را هدف قرار می‌دهند تا نشانگرهای زیستی خاصی از جمله تیروزیناز برای ملانوما، اسید لاکتیک برای سرطان پوست و آنتی‌بادی‌ها برای COVID-19 را جذب کنند. آنها غربالگری سریع و دقیق اولیه و ارزیابی درمانی را امکان پذیر می کنند.

4.3 نظارت بر دارو و داروی دقیق

این فناوری به صورت پویا غلظت آنتی‌بیوتیک‌ها، داروهای ضد بیماری‌های مزمن و لوودوپا را در ISF کنترل می‌کند، اثرات فارماکودینامیک را در زمان واقعی ارزیابی می‌کند و تنظیم دوز را به‌صورت فردی هدایت می‌کند، به طور موثر از اثربخشی ناکافی یا مصرف بیش از حد دارو جلوگیری می‌کند و ایمنی داروی بالینی را بهبود می‌بخشد.

4.4 پایش مداوم فیزیولوژیکی و پاتولوژیک طولانی مدت-

برای بیماران دیابتی و جمعیت‌های توانبخشی پس از عمل، بیوسنسورهای میکرونیدل به همه-پایش مداوم گلوکز، الکترولیت‌ها و متابولیت‌ها، ثبت نوسانات جزئی بیماری و حمایت از مدیریت طولانی‌مدت بیماری و ارزیابی پیش آگهی کمک می‌کنند.

4.5 نظارت بر سلامت هوشمند پوشیدنی

چندین نمونه اولیه حسگر میکروسوزن پوشیدنی برای نظارت{0}زمان واقعی گلوکز، اسید لاکتیک و الکل ایجاد شده است. انتقال داده‌های بی‌سیم، شاخص‌های سلامت را با پایانه‌های تلفن هوشمند همگام‌سازی می‌کند، و نظارت مستقل در خانه و پیگیری پزشک از راه دور-را تحقق می‌بخشد.

4.6 تشخیص اضطراری مصرف بیش از حد مواد

حسگرهای زیستی میکروسوزن با حساسیت فوق‌العاده{0}}از غربالگری سریع اولیه مواد افیونی و عوامل نوروتوکسیک پشتیبانی می‌کنند و پشتیبانی فنی را برای مداخله زودهنگام سوء مصرف مواد و کنترل خطرات سلامت عمومی ارائه می‌کنند.

5. ملاحظات ترجمه و تجاری سازی

با وجود پتانسیل بالینی بزرگ، ترجمه صنعتی بیوسنینگ میکروسوزن با موانع فنی، بالینی، نظارتی و مهندسی متعددی مواجه است.

5.1 تأیید عملکرد بالینی برای نظارت مستمر

حسگرهای آمپرومتریک میکروسوزن توخالی جدید، متفاوت از دستگاه‌های{0}}CGM قابل کاشت طولانی تجاری موجود، کارآزمایی‌های بالینی را روی 10 بیمار دیابتی به پایان رسانده‌اند و به نظارت بالینی دقیق 72-ساعته گلوکز با تحمل مطلوب بیمار، و تأیید قابلیت اطمینان بالینی طولانی‌مدت سیستم‌های سنجش MN دست یافته‌اند.

5.2 توانمندسازی پزشکی از راه دور توزیع شده

دستگاه‌های میکروسوزن پوشیدنی از نظارت خانه از راه دور و انتقال داده‌های بی‌سیم پشتیبانی می‌کنند، تخصیص منابع پزشکی را بهینه می‌کنند و با مراقبت‌های پزشکی مردمی و خدمات بهداشتی از راه دور سازگار می‌شوند، همکاری تجاری تحقیقاتی صنعت-دانشگاه{1} را تسریع می‌بخشند.

5.3 بهینه سازی محدوده تشخیص و کالیبراسیون

نمونه برداری ISF از طریق میکروسوزن ها از آلودگی خون و مشکلات پیچیده کالیبراسیون جلوگیری می کند. سیستم‌های فعلی می‌توانند بیش از 25 نشانگر زیستی را در عرض چند ثانیه تا چند دقیقه شناسایی کنند و پنج حسگر زیستی مبتنی بر MN{2}} وارد آزمایش‌های بالینی شده‌اند. بهینه‌سازی مداوم مدل‌های همبستگی نشانگر زیستی ISF{4}}بیشتر دقت تشخیص را بهبود می‌بخشد.

5.4 مدیریت مصرف انرژی و امنیت داده ها

دستگاه‌های{0}دقیق بالا مجهز به پمپ‌ها، قطعات نوری و الکترونیکی از اندازه بزرگ، مصرف انرژی بالا و هزینه‌های تولید بالا رنج می‌برند که باعث محدود شدن محبوبیت محصولات یکبار مصرف می‌شود. در همین حال، سیستم‌های استاندارد شده برای جمع‌آوری، انتقال، رمزگذاری و ذخیره‌سازی داده‌های بهداشتی برای تضمین حریم خصوصی و امنیت داده‌ها نیاز به بهبود بیشتری دارند.

5.5 پذیرش بیمار و سازگاری عملیاتی

دستگاه های تجاری برای استفاده در خانه نیاز به عملکرد ساده با حداقل آموزش دارند. مطالعات بالینی بزرگ-برای تأیید قابلیت اطمینان دستگاه و بهینه‌سازی چسبندگی پوست و مکانیسم‌های بازخورد برای بهبود تجربه کاربر ضروری است.

5.6 پیشگیری و کنترل خطر ایمنی زیستی

اگرچه نفوذ میکروسوزن به طور موقت لایه شاخی پوست را مختل می کند، خطر عفونت میکروبی به دلیل حداقل میکرو{0}}زخم ها و دفاع ایمنی پوست بسیار کم است. فرآیندهای استاندارد تولید آسپتیک تمرکز اصلی برای ارتقاء صنعتی است.

5.7 بهبود سیستم نظارتی

هیچ دستورالعمل نظارتی اختصاصی برای حسگرهای زیستی میکرونیدل در سطح جهانی منتشر نشده است. FDA ملاحظات نظارتی را برای محصولات میکروسوزن آرایشی صادر کرده است، که به عنوان مرجع مهمی برای تأیید دستگاه‌های حسگر پزشکی مبتنی بر MN-با استانداردسازی صنعت هنوز در حال انجام است.

6. روندها و چشم اندازهای توسعه آینده

فناوری میکروسوزن که از یک ابزار تحویل دارو تکامل یافته است، به یک پلتفرم پزشکی چند عملکردی- تبدیل شده است که تحویل دارو، نمونه‌برداری، سنجش و نظارت را ادغام می‌کند. تکه‌های میکروسوزن سرخک و سرخجه وارد آزمایش‌های بالینی شده‌اند، با اثربخشی ایمنی معادل تزریق زیر جلدی سنتی و سازگاری بیشتر بیمار. تولیدکنندگان پیشرو جهانی پچ متوجه تولید دستگاه‌های میکروسوزن با GMP{3}}منطبق با مقیاس بزرگ- شده‌اند.

بازار حسگرهای زیستی پوشیدنی از 12 میلیارد دلار فراتر رفته است، و تقاضای پس از شیوع بیماری برای نقطه خانگی-آزمایش مراقبت از راه دور و نظارت بر سلامت از راه دور همچنان در حال گسترش است و چشم‌اندازهای بازار گسترده‌ای را برای سنجش زیستی میکروسوزن به ارمغان می‌آورد. در حال حاضر، توسعه فناوری هنوز تحت سلطه تحقیقات دانشگاهی است و ترجمه صنعتی عقب مانده است.

توسعه آینده بر پنج جهت متمرکز است: کوچک سازی، سبک وزن و{0}}تولید انبوه کم هزینه. گسترش طیف تشخیص بیومارکر؛ ادغام با IoT، داده های بزرگ و الگوریتم های هوش مصنوعی برای ساختن سیستم های مدیریت سلامت هوشمند حلقه بسته؛ بهبود سیستم های ایمنی چسبندگی پوست در دراز مدت؛ و تسریع تحول بالینی و استانداردسازی از طریق صنعت{3}}همکاری دانشگاهی. با فناوری بالغ و سیستم‌های نظارتی، بیوسنینگ میکروسوزن به یک فناوری پشتیبان اصلی برای پزشکی شخصی و مراقبت‌های بهداشتی خانه هوشمند تبدیل خواهد شد.