3D打印中空微针电位传感器：一种模块化方法

《ACS Sensors》：3D-Printed Hollow Microneedle Potentiometric Sensors: A Modular Approach

　　

微针(microneedle, MN)传感器通过微创途径获取皮肤组织间液(interstitial fluid, ISF)以实现连续健康监测，但其临床转化受限于复杂的制备与功能化工艺导致的重现性与可扩展性问题。尽管增材制造(additive manufacturing)缓解了部分障碍，单一成型模式仍面临高分辨率与电化学功能性难以兼得的矛盾。研究人员在此提出一种新型模块化中空微针(hollow microneedle, HMN)架构，将穿刺力学结构与离子传感功能解耦，协同采用两种互补的3D打印 modality：利用掩模光固化(masked stereolithography, MSLA)制备高强度HMN壳体，利用熔融沉积成型(fused filament fabrication, FFF)制备经离子传感修饰的导电柱状电极(conductive pillar electrode)。该模块化策略允许柱电极在先功能化后无缝组装入HMN，保护传感层并确保稳健一致的电位响应，同时弥补了MSLA缺导电性、FFF分辨率受限的各自缺陷。以pH为模型分析物，研究人员开发了电位式pH-HMN传感器，体外(in vitro)测试显示近能斯特(Nernstian)响应(?55.35 ± 0.54 mV/pH)、高重复性(RSD = 0.61%)、重现性(RSD = 1.16%)及稳定性(0.37 mV/h)。含一支pH传感柱电极与一支参比柱电极的双HMN贴片在离体(ex vivo)大鼠皮肤测试中与美国商业pH电极相比平均绝对偏差小于0.05个pH单位。该模块化平台简化了制造流程，可实现微针传感器的快速、低成本、可扩展生产，为拓展至其他离子/分析物检测及活体实验奠定了基础。

论文解读：3D打印中空微针电位传感器——一种模块化方法

《ACS Sensors》刊载的该研究针对微针(microneedle, MN)传感器难以兼顾高分辨率穿刺结构与集成电化学传感功能、传统及单一3D打印方式存在制备复杂、重现性差、传感层易损等问题，提出了一种将力学穿刺壳体与离子传感元件解耦的模块化中空微针(hollow microneedle, HMN)架构。研究人员采用高分辨率掩模光固化(masked stereolithography, MSLA)打印HMN树脂外壳以保证穿刺性能，采用熔融沉积成型(fused filament fabrication, FFF)打印掺碳黑聚乳酸(conducive carbon-black polylactic acid, CB-PLA)导电柱电极(conductive pillar electrode)并在其表面进行离子选择性膜修饰，二者组装形成完整传感单元。以pH为概念验证模型，所制备的pH-HMN传感器在生理pH范围(6.0–8.0)内表现出近能斯特(Nernstian)电位响应、优异的重现性与长期稳定性，经离体(ex vivo)大鼠皮肤验证与商用电极一致性良好。该模块化策略突破了单种3D打印技术的性能折衷限制，简化功能化步骤，提升了批次间一致性，为可扩展、多分析物微针传感贴片的开发提供了通用框架。

主要关键技术方法：

研究人员采用Autodesk Fusion 360进行HMN壳体与柱电极结构设计；HMN壳体及贴片基座用MSLA打印机(Prusa SL1S)搭配光敏树脂(Clear Micro-fluidics Resin V7.0a)打印并后固化；传感/参比柱电极用FFF打印机(Original Prusa XL)配0.25 mm喷嘴及导电CB-PLA耗材打印；pH指示电极柱涂覆含H?离子载体(ionophore)的聚氨酯(polyurethane, PU)基H?选择性膜(H?-selective membrane, HSM)并酸化 conditioning，参比电极(reference electrode, RE)柱涂覆Ag/AgCl浆后再覆含NaCl晶体的聚乙烯醇缩丁醛(polyvinyl butyral, PVB)参比膜(reference membrane, RM)并KCl conditioning；组装后通过电位法(potentiometric)进行校准、重复性、重现性、可逆性、稳定性、选择性及水层测试；采用电化学阻抗谱(electrochemical impedance spectroscopy, EIS)表征未修饰/修饰柱电极界面特性；通过Instron压缩试验评估HMN力学强度；利用扫描电镜(scanning electron microscopy, SEM)与X射线衍射(X-ray diffraction, XRD)表征CB-PLA柱成分与形貌；离体实验使用经缓冲液conditioning的大鼠皮肤样本及商用微pH电极作基准对照。

研究结果：

Optimization of the Design for HMNs and Pillar Electrodes

经显微观测确认打印HMN尖端直径<30 μm、尖角约46°，满足无痛经皮穿刺要求；轴向压缩测试得断裂力1.26 ± 0.07 N高于角质层穿透阈值(0.08–0.88 N)，刚度17.95 ± 0.33 kN/m，力学强度足够；HMN侧壁设直径200 μm侧孔及内腔以便组织间液(ISF)扩散接触柱电极，经三种内腔构型比对与循环伏安(cyclic voltammetry, CV)验证选定最优内腔设计；柱电极尖端最终优化为约250 μm设计宽/长(因FFF挤出实际宽318 ± 26 μm)，可顺利插入内腔且CV显示良好氧化还原峰，确认装配兼容性与溶液通达性。

Evaluation of Structural Features and Analytical Performance of the pH Pillar

XRD显示PLA非晶弥散峰及炭黑(carbon black, CB)(100)晶面弱峰，表明CB在PLA中分散良好；SEM显示CB-PLA表面粗糙且PU基HSM成孔(约1.07 × 1.94 μm)，有利膜附着与离子交换；优化HSM为5层涂层(厚约121.66 ± 5.48 μm)，平衡响应速度(15.1 ± 2.3 s)与批次重现性；无离子载体对照PU膜在pH 6–8无电位响应，排除聚合物基质自身pH交叉敏感；裸柱及修饰柱在pH 4–10呈近能斯特响应(?54.36 ± 0.44 mV/pH, R2 = 0.9971)，四支柱电极斜率?55.05 ± 0.13 mV/pH，组装/拆卸前后校准参数偏差<3%，证明模块化组装不影响性能；EIS显示未修饰CB-PLA具典型电容行为(双电层电容C_dl= 9.60 ± 0.18 nF)，修饰后呈多孔电极特征(Warburg扩散尾)，符合预期。

Investigation of the Analytical Performance of the pH HMN

单HMN在pH 6.0–8.0线性(R2 = 0.9992)，平均灵敏度?55.35 ± 0.54 mV/pH，t₉₅响应4.7 s；三次连续校准斜率与截距RSD分别为0.61%和0.79%(高重复性)；六支独立制备HMN批内/批间斜率RSD为0.98%/1.20%，整体RSD 1.16%(高重现性)；正反扫pH循环迟滞极小，各点电位标准差≤1.7 mV(高可逆性)；24 h恒pH 7.5监测漂移仅0.37 ± 0.11 mV/h，低/高pH下亦<0.9 mV/h(优稳定性)；对K?、Na?、Ca2?、Mg2?对数选择性系数分别为?5.87 ± 0.08、?5.49 ± 0.09、?5.67 ± 0.14、?10.71 ± 0.44(高H?选择性)；标准缓冲液测定与标称值平均绝对差<0.06 pH单位(Pearson's r = 0.9968)；经10次离体大鼠皮肤穿刺后校准参数无显著偏移，证实机械与功能完整性；34 °C相较22 °C灵敏度略增至?62.54 mV/pH，推荐温度匹配校准；水层测试电位可快速回基线无持续漂移，确认CB-PLA/膜界面无有害水层；60天追踪灵敏度?55.11 ± 1.01 mV/pH(RSD 1.84%)，截距454.20 ± 11.65 mV(RSD 2.57%)，证实长使用寿命。

Evaluation of the Performance of the RE Pillar and Corresponding RE HMN

SEM/EDX确认Ag/AgCl层(~87.84 μm)均匀包覆及PVB参比膜(~45.15 μm)含NaCl晶体Cl?储库；RE HMN于pH 7.5缓冲中24 h漂移0.22 ± 0.07 mV/h；外源Cl?阶跃变化(10??–10?1 M)最大电位偏移仅1.91 mV(PVB阻外部干扰)；光暗循环无光致电位波动；pH 6.0–8.0及Fe3?/Fe2?氧化还原对变化下电位标准差分别0.33 mV与0.23 mV(参比电位不受pH及氧化还原干扰)；与商用Ag/AgCl参比配对所得pH HMN校准斜率相对偏差1.04%，截距差异(~14 mV)源于界面相界电位属正常现象，经配套校准可消除。

Evaluation of the Analytical Performance of the pH HMN Patch Containing the RE HMN

集成双HMN(一支pH WE柱+一支RE柱)贴片在pH 6.0–8.0灵敏度?53.32 mV/pH；三次重复校准斜率RSD 0.72%、截距RSD 0.92%；四片独立贴片斜率RSD 1.06%、截距RSD 0.84%；动态可逆响应良好；离体大鼠皮肤测得pH值与商用Biotrode微电极均值绝对差<0.05 pH单位(Pearson's r = 0.9980, R2 = 0.9961)，同贴片三次穿刺标准差<0.09 pH单位，证实准确性与机械可靠性。

讨论与结论翻译：

研究人员开发了一种模块化中空微针(HMN)平台，将电化学传感功能与微针的经皮穿刺力学需求解耦。通过结合高分辨率MSLA打印结构壳体与FFF打印CB-PLA导电柱电极，克服了单一3D打印模态固有的性能折衷。以pH为概念验证，所得pH HMN展现近能斯特灵敏度、高重现性及长期稳定性。该工艺内置的自动化减少人工修饰步骤从而提升重现性并确保批次一致性。此外，离体大鼠皮肤验证证实其与商用电极相当的高准确度，具备临床转化潜力。该模块化策略不仅简化可靠电位传感器的制备，还为个性化健康监护中多离子及多分析物的可扩展、可定制微针阵列检测提供了通用框架。研究人员将在后续工作中开展统计显著样本量的在体(on-body)测量验证。