来源：i学术i科研
可穿戴和植入式生物传感器在精准医疗、慢性病管理和健康监测领域展现出巨大潜力，尤其对间质液（Interstitial Fluid,
ISF）中关键生物标志物的实时、连续检测需求日益迫切。水凝胶因其高含水量、良好生物相容性及分子通透性，被视为理想的传感基质材料，可用于负载DNA适配体等分子识别元件，实现对目标分子（如皮质醇、ATP等）的特异性响应。然而，传统水凝胶在充分水合状态下机械强度极低，难以有效穿透皮肤角质层以接触ISF，严重限制了其在经皮传感中的实际应用。尽管已有研究尝试通过化学交联或复合增强策略提升水凝胶刚性，但往往牺牲其传感灵敏度或生物相容性。因此，如何在保持水凝胶优异传感功能的同时赋予其足够的穿刺能力，成为该领域亟待突破的核心挑战。
研究内容
本研究创新性地提出一种“支架-水凝胶”复合结构的微针阵列生物传感器（Microneedle-Array Biosensor,
MAB）。研究人员利用高精度3D打印技术构建具有微米级尖端结构的刚性聚合物支架，作为微针的力学支撑骨架；随后将负载荧光DNA适配体开关的水凝胶网格精确填充于支架内部空腔中。该设计巧妙分离了“穿刺功能”与“传感功能”：3D打印支架负责穿透皮肤屏障，而内部水凝胶则在接触ISF后迅速溶胀并启动分子识别过程。研究团队针对两种重要生物标志物——应激激素皮质醇和能量代谢物三磷酸腺苷（ATP）——分别优化了DNA适配体构型与水凝胶网格孔径，确保目标分子高效扩散并与适配体结合，引发荧光信号变化。最终，他们将皮质醇传感水凝胶集成至MAB中，并配套开发了一款便携式光学检测装置，实现了从体外验证到活体大鼠皮下ISF中皮质醇水平的连续、实时、无创监测。
图文导读
图1展示了MAB的整体结构设计：顶部为3D打印的刚性微针阵列（如聚乙二醇二丙烯酸酯，PEGDA），内部中空通道填充有含荧光标记DNA适配体的水凝胶网络。当微针插入皮肤后，水凝胶吸水膨胀并与ISF接触，目标分子（如皮质醇）扩散进入水凝胶，触发适配体构象变化，导致荧光强度改变（如FRET信号减弱或增强）。
图2呈现了体外校准曲线，证实该系统对皮质醇的检测限达亚微摩尔级别（<1 μM）。设计不同链长多尺度适配体开关，调控聚 T
链接子与置换链长度；制备 10/20/40 w/v 不同孔径 PEGDA
水凝胶，探究孔径大小对分子扩散、适配体构象变化、信号增益与响应动力学的影响，筛选兼顾灵敏度与响应速度的最优配方；验证适配体在水凝胶内的固定效果与结构稳定性。
图3则展示了活体大鼠实验：MAB贴片贴附于背部皮肤，在外源性皮质醇注射后，系统成功捕捉到ISF中皮质醇浓度的动态变化曲线，且组织学分析显示微针区域无明显炎症反应，验证了良好的生物相容性。
图4搭建了近红外便携式光学探测器，选用 ATTO740 近红外荧光基团降低生物自发荧光干扰；在模拟皮肤凝胶与间质液环境中完成皮质醇标准曲线标定，评估检测灵敏度、线性范围、光漂白稳定性与长期储存稳定性，同时拓展 ATP 多标志物检测验证通用性。
图5以大鼠为模型，植入微针阵列并通过便携式光学设备连续采集；分别开展生理盐水与氢化可的松给药对照实验，实时捕捉皮质醇浓度动态变化，验证平台在活体体内长时间、高特异性连续监测能力，同时评估细胞相容性与皮肤组织安全性。
研究亮点
1. 通过3D打印刚性支架提供穿刺支撑，同时保留内部水凝胶的高灵敏传感性能，解决了水凝胶机械强度不足与传感功能难以兼顾的长期难题。
2. 首次在水凝胶微针系统中达成对皮质醇的亚微摩尔（submicromolar）检测限，并成功应用于活体大鼠ISF的连续动态监测，突破了现有经皮传感技术的灵敏度瓶颈。
3. 通过更换不同DNA适配体与调控水凝胶孔径，该MAB平台可灵活适配多种生物标志物（如ATP、葡萄糖、炎症因子等），为多指标同步监测奠定基础。
总结与展望
本研究成功开发了一种兼具优异机械性能与高灵敏度的3D打印支架型水凝胶微针阵列生物传感器（MAB），不仅克服了传统水凝胶微针难以穿透皮肤的技术障碍，更首次实现了在活体动物中对皮质醇等关键应激激素的连续、实时、无创监测。该平台通过“刚性支架+柔性传感水凝胶”的协同设计，为下一代可穿戴生物传感器提供了全新范式。未来，研究团队计划进一步优化光学检测系统的微型化与无线传输能力，推动其向临床转化；同时拓展适配体库，覆盖更多与糖尿病、心血管疾病、神经退行性疾病相关的生物标志物。此外，结合人工智能算法对多参数动态数据进行解析，有望实现个体化健康预警与精准干预。这一技术若成功应用于人类，将极大提升慢性病管理效率，并为压力相关疾病的早期诊断提供革命性工具。
文献链接：
https://advanced.onlinelibrary.w ... /10.1002/adma.73325
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