社会老龄化和远程医疗的发展增加了人们对在家中进行即时检测（POCT）的需求。因此，为现场、易操作、快速检测健康状况（包括诊断突发疾病）而设计的POCT装置或系统受到广泛重视。然而，POCT过程中不可避免的侵入性血液采样往往会引起患者不适、血液凝结、感染和其他相关问题。间质液（ISF）可实现无痛、无感染风险的采集，其所含的生物分析物与血液成分具有高度相关性。此外，由于存在亲水性细胞外基质（ECM）成分（如胶原蛋白、弹性纤维和纤维外基质），ISF表现出类似水凝胶的粘度。提取真皮层ISF的传统方法，包括吸芯法、吸疱法、微透析法、反向离子透入法等通常都有很大的缺陷。例如，吸芯法是侵入性的，需要经过后处理程序才能从吸芯中收集ISF；吸泡法需要使用高压，导致局部损伤和炎症反应，并使分析物浓度失真；微透析法是侵入性的，会使分析物稀释5到10倍；反向离子透入法也会导致分析物严重稀释。因此，推进利用ISF的POCT传感器的发展，在快速采样和分析方面存在相当大的障碍。
为解决上述问题，来自深圳大学的苏磊和张学记团队开发了一种创新策略，即使用3D打印的空心微针阵列贴片（MAP）与通过软管连接的真空管（VT）配合使用，以提高间质液的提取效率并促进快速分析。真空管利用负压使MAP装置能在5分钟内有效地从活兔耳朵真皮层收集约18 µL的ISF。通过这种方法，可以使用个人医疗保健计即时、微创地测量体内葡萄糖水平，并进行量化。VT技术和MAP技术的融合使其可以轻松集成到一个全面的移动系统中，用于ISF分析，只需在软管中预先装入为检测特定分析物而设计的定制传感纸即可。此外，VT-MAP集成系统的设计和功能直观易用，无需专业的医学知识。这一特点增强了它在分散式个人医疗保健领域产生重大影响的潜力。相关工作以“Enhanced Interstitial Fluid Extraction and Rapid Analysis via Vacuum Tube-Integrated Microneedle Array Device”为题发表在国际顶级期刊Advanced Science上。
如图1A所示，MAP装置由一个带内腔的贴片主体、一个位于底部的双通道空心微针阵列和一个位于一侧的出口端口组成。MAP的出口端口连接到软管，软管的另一端连接到能够提供负压驱动力的VT。这种配置将整个装置变成了一个手泵，能够快速从皮肤中抽取ISF。本研究使用生物相容性聚甲基丙烯酸酯（PMA）树脂在微纳3D打印机上制造了MAP。MAP为21 × 21 mm的薄正方形，MAP主体底部的微针尖端高度为1000 μm，以确保无痛插入皮肤表皮层并充分提取ISF。
图2B和2C分别显示了MAP和单个微针尖的扫描电镜图像。相邻针尖之间的针距（即中心到中心的距离）优化为2000 μm，因为较高的针密度可能会降低插入概率。通过压缩试验评估了MAP的机械强度。图2D显示了压缩力与位移的关系曲线。单个微针可承受的加载力高于0.058 N/针，这是刺穿人体皮肤而不会造成微针断裂的最小力。经计算，MAP的屈服强度为22.77 MPa，表明MAP具有足够的机械强度用于皮肤穿透。
此外，本研究还用BALB/c小鼠评估了MAP的体内皮肤穿透能力（图 2E）。观察结果表明，只需用拇指轻轻一按，MAP就能轻易穿透小鼠的背侧皮肤。如图2F和G所示，插入小鼠皮肤后的微针与原始微针相比，形态变化微乎其微，这表明微针具有良好的抗变形能力，从而降低了微针在穿透皮肤过程中断裂的风险。图2H所示的组织学结果显示，微针的尖端可以穿透表皮到达真皮层，但无法接触到毛细血管和神经末梢，因此可以无痛提取真皮层的ISF。此外，还观察到，皮肤一旦被MAP刺穿，在移除MAP后不久就能重新愈合。微针引起的微孔在移除MAP后30分钟内逐渐消失，这表明穿刺对皮肤的创伤很小，从而最大限度地降低了微生物浸润引起感染的风险。
利用基于VT集成的MAP装置对活体新西兰兔耳中的ISF进行快速侧向流动检测（LFT）
LFT传感器是用于快速诊断的最受欢迎的POCT装置之一。然而，它们需要的样本量相对较大，通常超过30 µL，因此，由于目前的微针技术的ISF提取量较低且ISF提取速度较慢，它们在护理点ISF分析中的应用空间较小。由于基于MAP的装置提高了体内ISF的提取性能，因此通过将商用LFT与基于MAP的装置相结合，可以首次对体内ISF进行快速分析。在皮肤病学中，局部糖皮质激素（GC）疗法被广泛用于抗皮炎。例如，地塞米松作为一种人工合成的糖皮质激素可治疗湿疹。然而，某些化妆品公司在面膜和面霜产品中加入糖皮质激素，以达到立竿见影的效果，如快速美白和抗衰老。长期使用GC可能会产生麻烦的副作用，如依赖性、面部红斑等。因此，快速检测皮肤中的GC具有重要意义。为此，本研究将市售的GC检测LFT作为模型，切割成1.5 × 20 mm的大小，然后插入MAP装置的软管中，形成一个集成的双功能装置。将地塞米松乳膏涂抹在兔耳皮肤上，待其完全吸收（图3A、B）。然后，将MAP装置按压在涂有药膏区域附近的兔耳上（图 3C）。连接VT启动ISF提取后，软管中的测试线和对照线均在5分钟内变得清晰可见（图3D）。GC的阳性结果表明，VT集成MAP装置巧妙地结合了市售的LFT，可以快速检测皮肤中的生物分析物。
利用集成VT的MAP装置对活体新西兰兔耳中的ISF进行快速化学发光分析
化学发光（CL）因其灵敏度高、背景干扰小而在当前的生物分析应用中表现出色。此外，由于不需要外部光源，化学发光对小型化POCT装置也很有吸引力。在此，本研究首次将化学发光应用到基于MAP的装置中，对体内ISF进行快速分析。为了实现这一目标，将预先涂有发光酚-乳酸氧化酶-辣根过氧化物酶（HRP）化学发光制剂的硝酸纤维素纸片（1.5 × 10 mm）插入软管前端靠近贴片出口的位置。在软管中存在乳酸盐的情况下，双酶系统的催化作用启动了发光酚的化学发光（图3E）。可使用智能手机在定制的光密箱中（图3F）观察化学发光，从而量化乳酸盐水平。该盒采用黑色丙烯腈-丁二烯-苯乙烯（ABS）聚合物，通过经济高效的3D打印技术制造而成，具有一个用于样品进出的滑动门、一个带有样品槽的可升降板（用于聚焦）和一个用于智能手机图像捕捉的小窗口。如图3G所示，在乳酸盐浓度为0.5 ~ 30 mM时，软管表现出不同的CL强度。图3H描述了相应的校准曲线，显示了出色的线性关系，检测限（LOD）为56.7 µM，可用于指示人体平均乳酸盐水平、高乳酸血症和乳酸酸中毒。图3I、3J显示了检测到的乳酸盐浓度。如图所示，设备检测到的乳酸盐浓度与CL分析仪器测量到的浓度非常一致。这些结果表明，本研究的MAP装置非常适合用于可靠的乳酸盐分析。
利用集成VT的MAP装置快速提取新西兰活兔耳内的ISF并进行比色分析
为了使集成VT的MAP装置具备比色分析功能，在软管前端靠近贴片出口的位置插入了一小块预先涂有比色剂的硝酸纤维素干纸（1.5 × 10 mm）。众所周知，糖尿病患者的ISF pH值较低，这也是导致胰岛素抵抗的原因之一。在葡萄糖传感方面，比色剂包括4-氨基安替比林（4-AAP）和一个双酶系统（包括葡萄糖氧化酶（GOx）和HRP）。当软管中存在葡萄糖时，双酶系统的催化作用导致4-AAP氧化，生成发色的醌亚胺产物（图4A），使软管的颜色在5分钟内迅速从浅黄色变为酒红色。如图4B所示，软管在0.5 ~ 40 mM的不同葡萄糖浓度下呈现出不同的颜色。为实现pH值传感，将溴甲酚绿、溴甲酚紫和溴百里酚蓝的混合物引入软管作为比色指示剂（图4C）。在此基础上，软管中溶液的pH值可通过软管的颜色变化直观地显示出来。如图4D所示，软管在2分钟内对3.0至9.0的pH值做出快速反应，显示出不同的颜色。智能手机也能捕捉到这些颜色变化。
总之，本研究提出了一种开创性的ISF快速提取和分析解决方案，即通过3D打印空心固体MAP并辅以软管连接的VT。利用VT提供的低至75 Pa的负压驱动力，MAP装置在5min内有效收集了18.42 ± 1.02 µL的ISF，相当于单个空心微针的高体内ISF提取率（每针0.0368 µL/min）。体内ISF抽取量和速率都超过了最先进的水凝胶MAP。此外，使用集成VT的MAP装置，可以轻松收集ISF并将其储存在软管中，以便进行后续分析。MAP装置体积小、便于携带、使用方便，因此非常适合POCT应用。重要的是，本研究开发的装置具有功能可扩展性，并可作为构建多功能护理点传感系统的平台，方法是在软管中预先填充分析物响应传感单元，包括LFT、化学发光和比色传感试纸，正如之前所演示的那样。在此基础上，可使用根据特定要求定制的传感装置在软管内对提取的ISF进行即时分析，而无需使用外部批量分析仪器。在本研究开发的装置中还可以加入其他方法，以进一步开发新型POCT传感器。
