《TRAC-TRENDS IN ANALYTICAL CHEMISTRY》：Optical microneedle patches: from design strategies to point-of-care analysis
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光学微针贴片（OMPs）通过集成微针阵列与光学传感技术，实现无创皮肤穿透和即时视觉/便携设备读出，为点ofcare生物标志物检测提供可设计性强、预测性高的平台，显著降低监测痛感。本文系统综述了OMPs在光电子晶体微针、荧光微针、等离子体微针等设计策略上的进展，及其在点ofcare诊断（如血糖、尿酸检测）和集成治疗诊断平台（如温度、炎症因子监测）中的应用，并分析了信号转换、设备小型化等关键挑战与未来发展方向。
Youhao Sun|Fenglian Qi|Caifeng Ding
中国教育部光电传感与分析化学生命科学重点实验室，青岛科技大学化学与分子工程学院分析化学与智能检测生命科学重点实验室，山东省青岛市，266042
摘要
光学微针贴片（OMPs）是一类先进材料，它们将微针阵列与光学传感技术相结合，实现了最小程度的皮肤穿透以及即时视觉或便携式设备读取。利用这些功能，OMPs提供了一个可设计和可预测的平台，用于即时检测生物标志物和生物相关分子，从而在监测过程中实现最低程度的疼痛。本文总结了OMPs的最新进展，涵盖了从光子晶体微针、荧光微针到等离子体微针的设计策略，以及其在即时检测中的应用，包括即时诊断和集成治疗平台。同时，还讨论了基于OMPs的生物传感器所面临的关键挑战和未来发展方向。本文旨在全面了解OMPs的设计策略、光学响应机制及其在疾病分析中的应用，为未来朝着集成诊断和治疗平台的研究提供见解。
引言
微针具有微米级的结构，并带有针状尖端[1]，由于其便携性和灵活性[2]，[3]，在生物传感领域引起了广泛的研究兴趣[2]。微针的尖端高度通常在25至2000微米之间，能够实现对人体角质层的最小程度穿透[4]，[5]，[6]，从而减少皮肤损伤并降低免疫反应[7]，[8]。微针的另一个优点是制造成本低廉且工艺简单，可以直接使用模板法进行生产[9]。利用这些特性，基于微针的生物传感器的一个有前景的应用方向是检测生物标志物和生物相关分子，如血糖[10]，[11]、尿酸[12]和炎症因子[13]。除了分子检测外，微针还可以用于体内监测物理参数，包括温度[14]，[15]和应力[16]，为评估与人类健康相关的生理状况提供了简单的方法。此外，微针在药物递送方面也发挥着重要作用[17]，[18]。目前，传统的药物递送方法主要依赖于注射器和口服给药[19]。注射器给药会导致显著的疼痛、患者不适以及注射部位感染的风险，而传统口服药物的吸收率相对较低[20]。尽管基于微针的药物递送方式递送的剂量较小，但它可以克服注射器和口服药物的缺点，具有较高的药物吸收率，并为患者带来更大的舒适度[21]。更重要的是，如果将基于微针的药物递送系统与检测方法结合，可以实现常见疾病的集成诊断和治疗，从而在临床治疗方面展现出巨大潜力[22]。微针在食品安全检测中也具有巨大潜力，能够实时评估食品新鲜度，确保消费者安全[23]。通常，微针可以通过检测温度、pH值和生物胺（如组胺）[24]，[25]，[26]来快速评估肉类新鲜度，这克服了传统嗅觉分析方法的局限性[27]。除了传统的嗅觉检测方法外，当前的食品安全检测还包括微生物检测和物理化学指标分析。微生物检测耗时较长且过程复杂[28]。传统方法的物理和化学指标分析存在一系列缺点，如需要昂贵的设备、灵敏度低、样品处理复杂以及分析时间较长[29]。使用微针进行食品安全检测可以有效克服这些限制，证明这种微针传感器具有更高的实际价值。尽管微针在生物和食品分析传感方面具有巨大潜力，但由于目前仍依赖外部仪器进行检测，其在现场实时分析和治疗中的应用受到严重限制。例如，Huang等人[30]设计了一种基于钢的微针传感器，用于检测体内的金属离子。该传感器利用印刷电路板将人体间质液输送到微处理器，生成信号并显示图表，从而实现对体内Na+、K+和Ca2+的定量检测。Ca2+离子浓度范围为0.01 mmol/L至100 mmol/L，与电压呈良好线性关系，平均灵敏度为21.65 mV/度；K+离子浓度在2至32 mmol/L之间时，浓度与电压也呈良好线性关系，平均灵敏度为47.1 mV/度；Na+离子浓度在5至160 mmol/L之间时，浓度与电压同样呈良好线性关系，平均灵敏度为76.24 mV/度。此外，基于微针的传感器还可以与其他仪器（如荧光光谱仪[31]、电化学工作站[32]和质谱仪[33]）结合，实现对目标分析物的高灵敏度定量检测。因此，基于微针的生物传感器的一个主要发展方向是开发高效的信号转换方法，以实现即时和直接的检测。
分析科学的最新进展催生了新的检测方法，包括原子吸收技术[34]、X射线荧光技术[35]、电化学技术[36]和光学技术[37]。其中，光学技术具有明显的优势，如可见光读数、高灵敏度和低成本、操作简便[38]。最重要的是，它能够产生即时、肉眼可识别的信号，几乎不需要任何仪器，特别适合用于即时生物分析中的生理指标检测[39]，[40]。目前，该领域常用的光学信号技术包括拉曼光谱[41]、荧光[42]、光纤[43]、比色法[44]和光声成像[45]。利用这些原理，各种光学传感器已被广泛应用于伤口评估和治疗[46]、食品新鲜度评估[47]、[48]以及温度监测[49]等领域。此外，人工智能与光学传感器的结合促进了智能实时监测系统的发展[50]，[51]，显著扩展了它们在生物医学分析中的潜力。光学检测与微针技术的结合催生了光学微针贴片（OMPs）的开发，这种集成平台结合了两种技术的优势。由于检测简便且穿刺疼痛小[52]，OMPs无需止血或缝合即可快速恢复[53]。此外，它们的实时监测能力有助于立即获取数据以进行临床分析，防止因诊断延迟造成的不良后果[54]。总体而言，这些集成特性凸显了OMPs在分析监测和经皮药物递送方面的巨大潜力和广泛应用性。
本文总结了OMPs设计策略的最新进展，并重点介绍了它们在生物医学领域即时检测中的应用。在OMPs设计方面，重点考察了三种典型类型：光子晶体、荧光材料和等离子体纳米结构（图1A），分别通过反射/结构颜色、荧光发射和吸收来整合微针与光学信号（图1B）。在即时检测方面，这些光学读数使OMPs能够通过检测关键生物标志物（如葡萄糖、尿酸）以及生理相关分子和参数（如三磷酸腺苷（ATP）、pH值、体温和炎症因子）来实现实时疾病和健康监测。除了诊断之外，通过加入药物递送功能，OMPs还可以进一步发展为集成诊断和治疗平台。最后，本文比较了OMPs与传统基于微针的生物传感器的优势和局限性，并讨论了它们在临床转化和商业化方面的未来前景。通过对设计策略、应用和未来潜力的全面分析，本文旨在为OMPs研究提供基础参考，并激发进一步创新。
OMPs的设计策略
与传统微针相比，OMPs通过便携设备或肉眼直接检测目标分析物，具有显著优势，从而消除了对大型仪器的依赖。根据光学信号的来源，OMPs的最新进展主要可以分为光子晶体微针（PCMNs）、荧光微针（FMNs）和等离子体微针（PMNs）[34]。
即时检测：从监测到治疗
OMPs在即时生物医学应用中具有巨大潜力。本节回顾了两个领域的最新进展：即时诊断和集成治疗平台。以下讨论将展示基于OMPs的生物传感器在实时、微创检测目标物质方面的能力，突显了它们作为新型传感技术的潜力。
挑战与未来展望
本文强调了OMPs在生物医学领域设计策略和即时检测方面的最新进展。根据光学信号的形成原理，OMPs的设计策略分为三类：光子晶体微针（PCMNs）主要涉及将光子晶体和功能性水凝胶结合到微针组件中，从而在可见光区域产生反射光谱和结构颜色；荧光微针（FMNs）涉及……
CRediT作者贡献声明
Caifeng Ding：撰写——审稿与编辑，资金获取。Youhao Sun：撰写——初稿。Fenglian Qi：撰写——审稿与编辑，资金获取
利益冲突声明
? 作者声明以下财务利益/个人关系可能被视为潜在的竞争利益：Caifeng Ding表示获得了中国国家自然科学基金和山东省泰山学者基金的支持；Fenglian Qi表示获得了山东省自然科学基金的支持。
致谢
本工作得到了中国国家自然科学基金（编号22374086）、山东省自然科学基金（编号ZR2024QB365）和山东省泰山学者基金（编号tstp20231227）的支持。
