Al2O3增强PEGDA水凝胶微针用于微创间质液葡萄糖采样

《Materials Advances》：Al2O3-reinforced PEGDA hydrogel microneedles designed for minimally invasive interstitial fluid glucose samplingOpen Access

　　

间质液（ISF）中的生物标志物可支持微创诊断，但可靠的ISF采集仍面临技术挑战，因为需要兼具机械鲁棒性和高效液体吸收能力的微针（MNs）。本研究通过无模具光刻工艺制备了氧化铝（Al₂O₃）纳米粒子（NPs）增强的聚乙二醇二丙烯酸酯（PEGDA）水凝胶MNs，并对其进行了系统评价。NPs的掺入将表观刚度提高至多16倍（从0.15 ± 0.03 N mm^?1至2.5 ± 0.1 N mm^?1），同时保持了高溶胀能力（25–28%）。在四种考虑的配方中，仅MN1（PEGDA与分散在三丙二醇二丙烯酸酯（TPGDA）载体中的40 nm Al₂O₃ NPs）凭借其有利的NPs分散性和尖锐的尖端几何结构，成功压入琼脂糖-石蜡膜（PF）皮肤模型。MN1还能实现荧光示踪剂和葡萄糖的可测量提取。这些结果表明，MN1是一种机械坚固、可溶胀且有前景的平台，在简化的体外模型中兼具穿透能力和分析物吸收能力，凸显了其未来在微创ISF采样应用中的潜力。

生物标志物监测在疾病筛查、诊断、预后和治疗管理中具有核心价值。常规血液采样依赖皮下注射针，易引起患者疼痛与不适，并存在感染风险且需专业人员操作。间质液（ISF）作为富含电解质、蛋白质、氨基酸、脂肪酸和葡萄糖等分析物的体液，为微创诊断提供了新途径。微针（MN）因其尺寸微小、可无痛穿透皮肤角质层且能自我给药，成为ISF采集的理想工具。然而，可靠ISF提取与分析物回收仍是重大技术挑战，关键在于微针需同时具备足够的机械强度以穿透皮肤，并保持水凝胶的溶胀及液体吸收能力。已有增强填料策略常以牺牲水凝胶功能为代价，且纳米粒子（NP）尺寸和分散策略的作用尚不明确。为此，研究人员开发了基于聚乙二醇二丙烯酸酯（PEGDA）575的水凝胶微针，通过掺入氧化铝（Al₂O₃）NPs进行机械增强，系统研究机械强化与吸水性能的平衡，并以葡萄糖为模型分析物评估其作为ISF采样平台的可行性。

研究人员采用无模具光刻工艺制备了四种微针配方：MN0（纯PEGDA）、MN1（PEGDA+40 nm Al₂O₃ NPs分散于三丙二醇二丙烯酸酯TPGDA）、MN2（PEGDA+40 nm Al₂O₃ NPs分散于己二醇二丙烯酸酯HDDA）、MN3（PEGDA+20 nm Al₂O₃ NPs分散于甲氧基丙基乙酸酯MPA）。商业分散液含30% Al₂O₃，最终各复合微针中实际NP含量约0.9%。研究对微针的几何形貌、热学性能、化学结构、力学特性、溶胀行为、分析物吸收及皮肤穿透能力进行了系统评价。

关键技术方法包括：利用紫外光诱导自聚焦效应使微针直接生长于基底的无模具光刻工艺；使用扫描电子显微镜（SEM）观察微针形貌并测量尖端曲率半径；采用热重分析（TGA）确认实际NP含量及热稳定性；差示扫描量热法（DSC）评估玻璃化转变温度与残余固化反应；傅里叶变换红外光谱（FTIR）验证丙烯酸酯双键转化程度；动态力学分析（DMA）测量杨氏模量与断裂伸长率；热机械分析（TMA）进行单针压缩实验以获取表观刚度；重量法及光学三维重建评价水吸收与体积溶胀；共聚焦显微镜定量分析荧光素异硫氰酸酯（FITC）吸收；以琼脂糖-石蜡膜（PF）模拟皮肤进行压痕测试；利用葡萄糖氧化酶（GOx）比色法测定微针从模拟ISF中提取的葡萄糖浓度。

研究结果如下：在设计与制造方面，不同配方因折射率和散射差异需调整曝光时间，SEM显示微针具有良好几何再现性（阵列内高度变异<5%）。MN0和MN3尖端曲率半径相近且最尖锐，MN2尖端最钝。材料表征表明，Al₂O₃ NPs在聚合物基体中均匀分散；MN1和MN2的杨氏模量显著高于MN0，而MN3显著降低。TGA显示所有样品降解起始温度均高于350°C，实际NP含量与标称一致；DSC中玻璃化转变温度（T_g）约为?20°C且各配方一致，表明NPs不改变化学交联密度；FTIR确认高聚合转化率。力学压缩测试显示，MN0和MN3在低载荷下即发生弯曲，而MN1和MN2表观刚度大幅提高，分别达到1.1 ± 0.1 N mm^?1和2.5 ± 0.1 N mm^?1，MN0仅0.15 ± 0.03 N mm^?1，表明40 nm NPs与光固化稀释剂组合显著增强抗弯能力。溶胀测试表明，所有配方平衡吸水率均在25%–28%之间，无显著差异，NPs掺入未损害PEGDA网络固有的吸水能力。FITC吸收实验显示所有微针均可吸收模型分析物，但动力学不同；MN0和MN3在1 h内即达到较高荧光信号，MN2随时间增加幅度最大，MN1荧光值最低但仍可测量。压痕测试中，仅MN1成功刺穿琼脂糖-PF皮肤模型并留下清晰孔洞，而MN0弯曲失败，MN2因尖端过钝无法穿透，MN3因刚度不足失败。体外葡萄糖提取实验中，MN1从含1000 μg mL^?1葡萄糖的琼脂糖中提取到980 ± 100 μg mL^?1的葡萄糖，接近标称浓度，验证了其采样能力。

讨论部分指出，机械增强受NP尺寸、分散介质及光固化行为共同影响，而非单纯NP负载量决定；MN2虽刚度最高但尖端钝化限制了穿透效率，说明尖端几何与轴向刚度的协同至关重要。同时，所有配方保持相似溶胀能力，提示增强填料不影响水凝胶功能，FITC吸收差异可能源于聚合物网络微观结构对溶质传输的影响。结论部分总结：通过可控紫外生长、NP增强和保留溶胀能力，PEGDA/Al₂O₃微针在简化皮肤模型中实现了穿透和分析物吸收，其中MN1是最有前景的配方，为未来微创ISF采样应用奠定了基础。后续需在生物组织上进一步验证，并集成分析读出系统以推进可穿戴设备应用。