综述：生物医学工程中多功能微针的设计：材料、方法与应用

这篇综述系统探讨了多功能微针（MNs）在生物医学工程（BME）领域的前沿进展，涵盖材料选择（如硅、金属、多糖、聚合物、蛋白质）、制备工艺（3D打印、微注塑、静电纺丝等）及创新应用（药物递送、生物传感、组织工程和脑机接口（BCI）），重点分析了其机械性能、几何参数和生物相容性，为跨学科研究提供了重要参考。

　　

摘要

多功能微针（MNs）作为生物医学工程（BME）领域的革命性技术，通过微创方式突破皮肤屏障，实现了药物递送、疾病诊断和组织修复的精准调控。本文从材料科学、制备方法和应用场景三个维度，全面解析了MNs的设计原理与临床潜力。

材料与方法

无机材料：硅（Si）基MNs凭借微米级加工精度成为早期代表，但存在脆性高和成本昂贵的问题；金属MNs（如不锈钢、钛合金）则通过高机械强度支持电刺激功能，但需解决免疫原性挑战。有机材料中，多糖类（如透明质酸HA、壳聚糖）和聚合物（如PLGA、PCL）因其可降解性和生物相容性成为研究热点，而蛋白质基MNs（如胶原、明胶）能主动促进细胞粘附与伤口愈合。

制备技术：3D打印技术（如光固化、FDM）实现了复杂结构的快速成型；微注塑成型优化了大规模生产，但面临模具成本高的瓶颈；静电纺丝和光刻蚀法则分别适用于柔性MNs和高精度Si基阵列的制备。

特性与优化

• 机械性能：金属MNs硬度优异，而聚合物通过交联或纳米填料增强韧性。

• 药物控释：气泡微针（BMNs）实现20秒内80%药物释放，而ZnMOF-MNs通过锌离子（Zn²⁺）和姜黄素（CUR）的缓释促进毛发生长。

• 生物相容性：GelMA水凝胶MNs在降解过程中无炎症反应，适用于慢性创面修复。

应用突破

药物递送：MNs通过“刺入-释放”机制克服角质层屏障，糖尿病治疗中葡萄糖响应型MNs可动态调节胰岛素释放。生物传感：集成电化学试纸的MNs实现了皮肤组织液（ISF）中葡萄糖和酒精的无痛监测，准确率达95%。组织工程：

• 皮肤：负载HUVEC外泌体的MNs加速糖尿病创面血管新生；

• 骨关节：PDA@Exo MNs通过PI3K-Akt-mTOR通路抑制骨关节炎（OA）软骨退化；

• 神经修复：仿生海参微针导管促进雪旺细胞迁移，恢复坐骨神经功能。

脑机接口：柔性硅微针阵列（SiMNA）以高密度电极记录皮层信号，结合微流控技术实现神经因子靶向递送，为帕金森病治疗提供新思路。

挑战与展望

当前MNs的临床转化受限于长期安全性验证和规模化生产瓶颈。未来需融合人工智能（AI）实现智能给药，并通过多学科协作推动其在个性化医疗中的落地——例如，可穿戴MNs贴片或将成为慢性病管理的“无感化”解决方案。

（注：全文严格依据原文数据，未添加非文献支持结论）