Những tiến bộ trong công nghệ cảm biến sinh học microneedle để theo dõi sức khỏe thiết bị đeo xâm lấn tối thiểu

1. Tổng quan

Microneedles (MN) là thiết bị tiếp xúc với da có kích thước cực nhỏ{0}}có tính xâm lấn tối thiểu, xuyên qua lớp sừng một cách không gây đau đớn. Chúng được áp dụng rộng rãi để vận chuyển thuốc qua da và chiết xuất dịch kẽ da (ISF). Là cơ quan lớn nhất của con người, da giữ lại nhiều chất chuyển hóa, protein, ion và dấu ấn sinh học gây bệnh trong dịch kẽ, có thể phản ánh chính xác tình trạng sinh lý và bệnh lý, đồng thời hỗ trợ tiên lượng bệnh, theo dõi động và đánh giá dược lực học. So với việc lấy máu tĩnh mạch thông thường và xét nghiệm đầu ngón tay, công nghệ vi kim có tính năng xâm lấn tối thiểu, thao tác-không gây đau đớn, thao tác dễ dàng và khả năng theo dõi liên tục-trong thời gian dài, khiến công nghệ này trở nên lý tưởng cho việc quản lý bệnh mãn tính, chăm sóc sức khỏe tại nhà và theo dõi điều trị theo thời gian thực-.

Theo truyền thống, kim siêu nhỏ chủ yếu đóng vai trò là chất vận chuyển thuốc và vắc xin qua da. Trong những năm gần đây, lĩnh vực này đã chứng kiến ​​sự thay đổi mô hình đáng kể: vi kim ngày càng được phát triển dưới dạng nền tảng cảm biến sinh học-hiệu suất cao cho-thông lượng cao, chẩn đoán bệnh và giám sát sức khỏe nhanh chóng và chính xác. Các phương thức cảm biến tiên tiến và tối ưu hóa cấu trúc đã cải thiện đáng kể độ chính xác, độ chính xác và độ nhạy của cảm biến sinh học dựa trên MN-, cung cấp một lộ trình kỹ thuật mới cho y học cá nhân hóa, xét nghiệm-điểm{6}}chăm sóc và quản lý sức khỏe từ xa.

Vào ngày 26 tháng 9 năm 2023, nhóm nghiên cứu do Giáo sư Ryan F. Donnell từ Đại học Queen's Belfast dẫn đầu đã công bố một bài đánh giá toàn diện có tiêu đềCảm biến sinh học dựa trên vi kim-TRONGThiên nhiên Nhận xét Kỹ thuật sinh học, với Tiến sĩ Lalitkumar K. Vora là tác giả đầu tiên. Công trình mang tính bước ngoặt này đã xây dựng một cách có hệ thống việc phân loại kỹ thuật, cơ chế cảm biến, kịch bản lâm sàng và rào cản dịch chuyển của cảm biến sinh học vi kim, thiết lập hướng dẫn lý thuyết có thẩm quyền cho việc lặp lại công nghệ và dịch thuật công nghiệp.

2. Phân loại và cơ chế hoạt động của vi kim cảm biến sinh học

Các vi kim tạo ra các vi mạch nhất thời trên bề mặt da để cho phép vận chuyển thuốc và vắc xin qua da một cách có hệ thống, chiết xuất dịch kẽ da và theo dõi máu hoặc hoạt động như các điện cực trên da-tại chỗ để phát hiện tín hiệu sinh học-theo thời gian thực. Chúng có thể được dán dưới dạng miếng dán dính để theo dõi-lâu dài hoặc được sử dụng cùng với dụng cụ cầm tay để lấy mẫu và quản lý nhanh chóng. Theo đặc tính vật liệu, thiết kế cấu trúc và nguyên tắc cảm biến, sáu loại kim vi kim phổ biến được áp dụng rộng rãi trong cảm biến sinh học với các hiệu suất và kịch bản ứng dụng khác nhau.

2.1 Kim siêu nhỏ rắn

Là loại kim siêu nhỏ được phát triển sớm nhất, kim siêu nhỏ rắn chủ yếu được chế tạo từ thép không gỉ hoặc titan thông qua khắc axit hoặc cắt laser, có cấu trúc đơn giản và độ ổn định cơ học cao. Họ áp dụng chiến lược lấy mẫu hai{1}}bước: vi kim xuyên qua da để tạo thành các vi mạch và sau đó được loại bỏ, sau đó là thu thập ISF thông qua áp suất âm hoặc màng hấp thụ. Mặc dù được chế tạo hoàn thiện và chi phí thấp nhưng hiệu suất lấy mẫu tương đối thấp đã hạn chế ứng dụng của chúng trong việc phát hiện nhiều dấu ấn sinh học có độ chính xác-cao-.

2.2 Microneedles tráng

Kim siêu nhỏ được phủ là phiên bản nâng cấp về chức năng của kim siêu nhỏ. Chất nền bao gồm thép không gỉ, silicon và các polyme như polycarbonate và PLA. Lớp phủ chức năng với các hạt nano kim loại hoặc các phân tử nhận dạng sinh học cụ thể được biến đổi trên bề mặt kim để dùng làm điện cực điện hóa. Chúng cho phép phát hiện mục tiêu glucose, dấu hiệu chức năng thận, dấu ấn sinh học bệnh động mạch ngoại biên và chỉ số khối u để theo dõi bệnh mãn tính và sàng lọc khối u. Tuy nhiên, rủi ro về khả năng tương thích sinh học và bong tróc lớp phủ do bám dính da lâu dài- đòi hỏi phải tối ưu hóa vật liệu hơn nữa.

2.3 Microneedles xốp

Kim siêu nhỏ xốp là một loại phụ chuyên biệt của kim siêu nhỏ rắn được chế tạo bằng phương pháp đúc vi-với các porogen được tích hợp vào ma trận polyme. Các vật liệu phổ biến bao gồm nhựa methacrylate có thể quang hóa, axetat xenlulo và PLGA phân hủy sinh học. Cấu trúc vi mô xốp giúp tăng cường hoạt động mao dẫn và tăng tốc độ hấp thụ ISF mà không cần thêm thiết bị chân không. Chúng được áp dụng rộng rãi trong theo dõi glucose điện hóa và đánh giá thông số sinh lý của da, kết hợp hiệu quả lấy mẫu cao, khả năng tương thích sinh học thuận lợi và khả năng phân hủy sinh học.

2.4 Kim siêu nhỏ rỗng

Microneedles rỗng là một trong những loại trưởng thành nhất về mặt lâm sàng, được làm bằng kim loại, silicon hoặc nhựa acrylate với các vi mạch trung tâm. Họ chiết xuất ISF và theo dõi máu thông qua lực mao mạch hoặc áp suất âm, đạt được thể tích mẫu lớn hơn và độ ổn định cao hơn so với kim siêu nhỏ rắn. Thích hợp cho việc theo dõi y tế-có độ chính xác cao và phát hiện thuốc điều trị, chúng cần hỗ trợ chân không kéo dài để lấy mẫu thể tích- lớn, dẫn đến chu kỳ phát hiện tương đối dài.

2.5 Microneeds Hydrogel

Được chế tạo từ các polyme ưa nước liên kết chéo, kim siêu nhỏ hydrogel có khả năng hấp thụ và lưu giữ chất lỏng tuyệt vời. Sau khi đưa vào da, chúng nhanh chóng hấp thụ chất lỏng kẽ và tạo thành hệ thống-hydrogel ổn định tại chỗ để thu thập-mẫu với khối lượng lớn và theo dõi-dài hạn. Tuy nhiên, sự tương tác giữa một số chất chuyển hóa nhất định và ma trận hydrogel có thể gây mất dấu ấn sinh học và sai lệch phát hiện, đòi hỏi các quy trình-xử lý phức tạp trước khi phân tích ex{7}}vivo.

2.6 Microneedles hòa tan

Các kim siêu nhỏ có thể hòa tan được điều chế từ các polyme tương thích sinh học bao gồm axit hyaluronic và PVP. Chúng hòa tan hoàn toàn sau khi thâm nhập vào lớp sừng mà không để lại vết thương, đạt được khả năng lấy mẫu và phân phối thuốc cực kỳ-an toàn không-xâm lấn. Lý tưởng cho trẻ em, làn da nhạy cảm và các tình huống tự giám sát-tại nhà, chúng là hướng nghiên cứu chính cho-cảm biến sinh học xâm lấn tối thiểu thế hệ tiếp theo.

3. Công nghệ cảm biến sinh học tích hợp của nền tảng microneedle

Cảm biến sinh học vi kim tiên tiến dựa vào sự tích hợp sâu của các cấu trúc vi kim đa dạng và phương thức cảm biến để xây dựng các hệ thống phát hiện thông lượng-tại chỗ,{1}}thời gian thực và-cao. Bốn công nghệ cảm biến chính được áp dụng rộng rãi để hỗ trợ phát hiện chính xác-mục tiêu đơn lẻ và phân tích song song nhiều-mục tiêu.

3.1 Cảm biến điện tử

Cảm biến điện tử thường được kết hợp với hydrogel, microneedles xốp và rỗng để theo dõi các thành phần ISF, chức năng hàng rào bảo vệ da và cân bằng điện giải. Các chất phân tích được làm giàu trên bề mặt điện cực thông qua phương pháp điện di ion ngược để phân tích định lượng ex{1}}vivo hoặc được tối ưu hóa để phát hiện-thời gian thực-tại chỗ. Tận dụng độ dẫn điện tự nhiên của da người để hình thành các mạch khép kín ổn định, công nghệ này đóng vai trò là nền tảng cơ bản cho các thiết bị cảm biến vi kim có thể đeo được.

3.2 Cảm biến điện hóa

Là phương thức phổ biến và phổ biến nhất, cảm biến điện hóa điều chỉnh các điện cực microneedle bằng lớp phủ chức năng. Các phản ứng sinh hóa cụ thể giữa lớp phủ và dấu ấn sinh học tạo ra những thay đổi tiềm năng hoặc hiện tại để phát hiện định lượng glucose, axit lactic, nồng độ thuốc và ion. Nó có khả năng phản hồi nhanh, độ nhạy cao và tính di động tuyệt vời để theo dõi điểm chăm sóc-tại-lâm sàng.

3.3 Cảm biến quang học

Cảm biến quang học chủ yếu được tích hợp với các vi kim rỗng để xây dựng hệ thống phát hiện quang chất lỏng. Các mẫu ISF siêu{1}}vi mô hỗ trợ phân tích-có độ chính xác cao để theo dõi thuốc điều trị. Bao gồm các cơ chế phát hiện chỉ số khúc xạ, huỳnh quang, hấp thụ và phân cực, công nghệ này có phạm vi phát hiện rộng, độ đặc hiệu cao và khả năng chống nhiễu điện từ-cho thử nghiệm có độ chính xác cao-không{6}}xâm lấn.

3.4 Cảm biến Raman

Dựa trên quang phổ Raman tăng cường bề mặt (SERS), cảm biến Raman điều chỉnh các vi kim bằng hạt nano bạc, hoa nano vàng và đầu dò nhận dạng cụ thể để khuếch đại cường độ tín hiệu. Nó cho phép theo dõi-thời gian thực-tại chỗ của glucose, chất chuyển hóa và dấu vết thuốc trên da, với độ đặc hiệu vượt trội và hiệu suất chống-nhiễu để phát hiện mẫu có độ nhạy-vi mô{6}}cao.

4. Ứng dụng lâm sàng cốt lõi

Với ưu điểm về khả năng xâm lấn tối thiểu, tính liên tục theo thời gian thực và tính di động, cảm biến sinh học vi kim đã được áp dụng rộng rãi trong quản lý bệnh mãn tính, chẩn đoán khối u, sàng lọc bệnh truyền nhiễm, theo dõi thuốc và phát hiện trường hợp khẩn cấp, hỗ trợ y học cá nhân hóa và chăm sóc sức khỏe từ xa.

4.1 Cảm biến dịch cơ thể không-xâm lấn nhiều lớp

Microneedles chiết xuất chính xác ISF ở lớp da nông và sâu và theo dõi máu, thay thế cho việc tiêm tĩnh mạch xâm lấn. Chúng được áp dụng hoàn thiện trong quản lý đường huyết động cho bệnh tiểu đường, cung cấp hỗ trợ dữ liệu liên tục và ổn định với mức độ đau tối thiểu và độ lặp lại cao.

4.2 Chẩn đoán nhanh khối u và bệnh truyền nhiễm

Microneedles nhắm mục tiêu chính xác vào môi trường vi mô của khối u và các tổn thương nhiễm trùng cục bộ để thu thập các dấu ấn sinh học cụ thể, bao gồm tyrosinase cho khối u ác tính, axit lactic cho bệnh ung thư da và kháng thể cho COVID-19. Chúng cho phép sàng lọc sớm và đánh giá điều trị nhanh chóng và chính xác.

4.3 Giám sát thuốc điều trị và dùng thuốc chính xác

Công nghệ này giám sát linh hoạt nồng độ kháng sinh, thuốc chống bệnh mãn tính và levodopa trong ISF, đánh giá tác dụng dược lực học trong thời gian thực và hướng dẫn điều chỉnh liều lượng cho từng cá nhân, tránh hiệu quả không đủ hiệu quả hoặc dùng thuốc quá liều và cải thiện độ an toàn của thuốc lâm sàng.

4.4 Dài hạn-Theo dõi sinh lý và bệnh lý liên tục

Đối với bệnh nhân tiểu đường và nhóm người phục hồi chức năng sau phẫu thuật, cảm biến sinh học vi kim giúp theo dõi liên tục glucose, chất điện giải và chất chuyển hóa trong mọi thời tiết, nắm bắt những biến động tinh tế của bệnh và hỗ trợ quản lý bệnh lâu dài cũng như đánh giá tiên lượng.

4.5 Theo dõi sức khỏe thông minh có thể đeo

Nhiều nguyên mẫu cảm biến vi kim có thể đeo được đã được phát triển để-theo dõi lượng glucose, axit lactic và rượu theo thời gian thực. Truyền dữ liệu không dây đồng bộ hóa các chỉ số sức khỏe với thiết bị đầu cuối điện thoại thông minh, thực hiện giám sát độc lập tại nhà và theo dõi bác sĩ từ xa-.

4.6 Phát hiện khẩn cấp quá liều chất gây nghiện

Với độ nhạy cực cao, cảm biến sinh học vi kim hỗ trợ sàng lọc sớm nhanh chóng các loại thuốc phiện và chất gây độc thần kinh, cung cấp hỗ trợ kỹ thuật để can thiệp sớm việc lạm dụng chất gây nghiện và kiểm soát rủi ro sức khỏe cộng đồng.

5. Những cân nhắc về dịch thuật và thương mại hóa

Mặc dù có tiềm năng lâm sàng to lớn, nhưng việc dịch thuật công nghiệp cảm biến sinh học vi kim phải đối mặt với nhiều rào cản kỹ thuật, lâm sàng, quy định và kỹ thuật.

5.1 Xác minh hiệu suất lâm sàng để theo dõi liên tục

Khác với các thiết bị CGM cấy ghép dài-có sẵn trên thị trường, các cảm biến đo cường độ vi kim rỗng mới đã hoàn thành thử nghiệm lâm sàng ở 10 bệnh nhân tiểu đường, đạt được khả năng theo dõi glucose chính xác về mặt lâm sàng trong 72- giờ với khả năng dung nạp thuận lợi của bệnh nhân, xác minh độ tin cậy lâm sàng lâu dài của hệ thống cảm biến MN.

5.2 Trao quyền cho y học từ xa phân tán

Các thiết bị vi kim có thể đeo được hỗ trợ giám sát tại nhà từ xa và truyền dữ liệu không dây, tối ưu hóa việc phân bổ nguồn lực y tế và thích ứng với các dịch vụ chăm sóc y tế cơ sở và dịch vụ y tế từ xa, thúc đẩy hợp tác thương mại nghiên cứu-trường đại học{1}}trong ngành.

5.3 Phạm vi phát hiện và tối ưu hóa hiệu chuẩn

Lấy mẫu ISF qua microneedles tránh ô nhiễm máu và các vấn đề hiệu chuẩn phức tạp. Các hệ thống hiện tại có thể phát hiện hơn 25 dấu ấn sinh học trong vòng vài giây đến vài phút và 5 cảm biến sinh học dựa trên MN{2}}đã được đưa vào thử nghiệm lâm sàng. Việc tối ưu hóa liên tục các mô hình tương quan dấu ấn sinh học máu ISF{4}}sẽ cải thiện hơn nữa độ chính xác của việc phát hiện.

5.4 Tiêu thụ năng lượng và quản lý bảo mật dữ liệu

Các thiết bị-có độ chính xác cao được trang bị máy bơm, linh kiện quang học và điện tử có kích thước lớn, mức tiêu thụ năng lượng cao và chi phí sản xuất cao, hạn chế việc phổ biến các sản phẩm dùng một lần. Trong khi đó, các hệ thống tiêu chuẩn hóa để thu thập, truyền tải, mã hóa và lưu trữ dữ liệu sức khỏe cần được cải thiện hơn nữa để đảm bảo quyền riêng tư và bảo mật dữ liệu.

5.5 Sự chấp nhận của bệnh nhân và khả năng thích ứng trong hoạt động

Các thiết bị thương mại yêu cầu vận hành đơn giản và không cần đào tạo nhiều để sử dụng tại nhà. Các nghiên cứu lâm sàng mẫu lớn là cần thiết để xác minh độ tin cậy của thiết bị và tối ưu hóa cơ chế phản hồi và bám dính trên da để cải thiện trải nghiệm người dùng.

5.6 Phòng ngừa và kiểm soát rủi ro an toàn sinh học

Mặc dù sự xâm nhập của vi kim tạm thời làm gián đoạn lớp sừng nhưng nguy cơ nhiễm vi khuẩn là cực kỳ thấp do có rất ít vết thương-vi mô và khả năng miễn dịch của da. Quy trình sản xuất vô trùng được tiêu chuẩn hóa là trọng tâm cốt lõi của việc nâng cấp công nghiệp.

5.7 Cải thiện hệ thống quy định

Không có hướng dẫn quy định cụ thể nào dành cho cảm biến sinh học vi kim được ban hành trên toàn cầu. FDA đã ban hành các cân nhắc về mặt quy định đối với các sản phẩm mỹ phẩm vi kim. Sản phẩm này sẽ đóng vai trò là tài liệu tham khảo quan trọng cho việc phê duyệt các thiết bị cảm biến y tế dựa trên MN-, trong khi quá trình tiêu chuẩn hóa ngành vẫn đang được tiến hành.

6. Xu hướng và triển vọng phát triển trong tương lai

Phát triển từ một công cụ phân phối thuốc duy nhất, công nghệ microneedle đã phát triển thành một nền tảng y tế đa chức năng-tích hợp việc phân phối, lấy mẫu, cảm biến và theo dõi thuốc. Miếng dán microneedle sởi và rubella đã được đưa vào thử nghiệm lâm sàng, với hiệu quả miễn dịch tương đương với tiêm dưới da truyền thống và mức độ tuân thủ của bệnh nhân cao hơn. Các nhà sản xuất miếng vá hàng đầu thế giới đã hiện thực hóa việc sản xuất thiết bị microneedle quy mô lớn-tuân thủ{4}}theo tiêu chuẩn GMP.

Thị trường cảm biến sinh học thiết bị đeo đã vượt quá 12 tỷ đô la Mỹ và sau đại dịch,-nhu cầu về xét nghiệm chăm sóc tại nhà--và theo dõi sức khỏe từ xa tiếp tục mở rộng, mang lại triển vọng thị trường rộng lớn cho cảm biến sinh học vi kim. Hiện nay, sự phát triển công nghệ vẫn bị chi phối bởi nghiên cứu học thuật, với dịch thuật công nghiệp bị tụt lại phía sau.

Sự phát triển trong tương lai tập trung vào năm hướng: thu nhỏ, sản xuất hàng loạt nhẹ và{0}}chi phí thấp; mở rộng phổ phát hiện dấu ấn sinh học; tích hợp với các thuật toán IoT, dữ liệu lớn và AI để xây dựng các hệ thống quản lý sức khỏe thông minh-vòng khép kín; cải thiện-hệ thống an toàn bám dính da lâu dài; và đẩy nhanh quá trình chuyển đổi và tiêu chuẩn hóa lâm sàng thông qua hợp tác-trường đại học trong ngành. Với công nghệ hoàn thiện và hệ thống quản lý, cảm biến sinh học microneedle sẽ trở thành công nghệ hỗ trợ cốt lõi cho y học cá nhân hóa và chăm sóc sức khỏe tại nhà thông minh.