人體健康監(jiān)測和疾病早期檢測是現(xiàn)代醫(yī)學的重要目標。監(jiān)測人類健康的長期變化可以對許多疾病進行早期預警和干預，并為特定疾病的治療提供重要參考。近年來，各種類型的可穿戴傳感器，例如基于腕帶的傳感器、基于汗液的傳感器以及基于隱形眼鏡的傳感器等，被廣泛報道用于人體健康信息的無創(chuàng)檢測。

然而，目前這些可穿戴傳感器的測量目標主要局限于物理信號，例如脈搏率、心電圖（ECG）和生理壓力，或汗液和眼淚等分泌物中的生化分子。體內的生化分析物，如離子（Ca2?、K?、Na?）和代謝物（葡萄糖、乳酸、尿酸），是人體健康狀況的重要指標。然而，基于汗液或淚液測量這些生化分析物可能與血液和間質液中的實際濃度有顯著偏差。

間質液是組織間質中的體液，它是細胞內部環(huán)境的一部分，除了不含大分子蛋白質以外，成分與血漿基本相同。間質液中所含小分子分析物的濃度，包括代謝物（葡萄糖和乳酸鹽）和電解質（Na?、K?），接近其在血漿中的濃度。目前，測量離子濃度的方法主要包括通過金屬針進行血液取樣，這導致了由于金屬針造成的創(chuàng)傷而引起疼痛和感染的風險。

此外，采血只能由經過培訓的技術人員在醫(yī)院進行，這阻礙了對體內離子波動的長期、重復和持續(xù)監(jiān)測。由于微/納米制造技術的迅速發(fā)展，500 μm - 800 μm長度的微針可以穿透皮膚角質層，在不傷及真皮層血管或神經的情況下進入間質液，受到了廣泛的關注。這種微針不僅可以避免疼痛，還可以減少組織創(chuàng)傷引起的局部炎癥或纖維化。例如，用于給藥的可溶性微針貼片近年來已成功應用于治療高血壓、腫瘤疾病和心血管疾病。此外，基于微針陣列的傳感器在連續(xù)血糖監(jiān)測方面取得了突破性進展。然而，基于微針陣列的離子監(jiān)測可穿戴設備，特別是可以同時監(jiān)測不同類型離子（如Na?、K?、Ca2?）的可穿戴設備很少。

據麥姆斯咨詢報道，近期，中山大學微電子學院謝曦、陳惠琄課題組基于平面微針片組裝成三維微針陣列的制造策略，開發(fā)了一種用于連續(xù)實時檢測皮下離子的微針傳感陣列集成系統(tǒng)。相關研究成果以“3D-assembled microneedle ion sensor-based wearable system for the transdermal monitoring of physiological ion fluctuations”為題，發(fā)表于Microsystems & Nanoengineering期刊。

該微針傳感陣列集成系統(tǒng)由三個相互連接的模塊組成，即離子傳感微針陣列（ISMA）、作為記錄和控制支持性部件的印刷電路板，以及用于實時監(jiān)測的移動應用程序。其中，離子傳感微針陣列利用3個平行電極構建，用以同時檢測Ca2?、K?和Na?。傳感器的三個工作電極共用同一個參考電極，四個電極都需要相互絕緣。此外，離子傳感微針電極基于電位傳感機制，該機制采用雙電極系統(tǒng)來測量與離子濃度相關的電位變化信號。通過在微針電極表面覆蓋一層離子選擇膜，使目標離子通過離子選擇膜，到達膜下的電極表面，而由于膜的阻隔，非目標離子不能到達電極。最終，離子的富集使微針工作電極與參比電極之間產生與目標離子濃度相關的電位差。

圖1 用于離子連續(xù)監(jiān)測的微針傳感器原理圖及制作過程

為了驗證微針的穿透能力，研究人員用豬皮代替人皮進行了體外實驗研究。體外實驗結果表明，離子傳感微針陣列作為該集成傳感系統(tǒng)的關鍵組件，可以無痛穿透角質層，檢測皮下組織液中Ca2?、K?和Na?濃度的實時變化，并且在信號傳輸性能方面表現(xiàn)出良好的線性響應、選擇性、時間穩(wěn)定性、機械穩(wěn)定性、重復性和可靠性等特性。離子傳感微針陣列可持續(xù)監(jiān)測多種生理信號，這些信號經過調節(jié)、處理，并通過帶有藍牙通信功能的印刷電路實時傳輸到智能手機上。

圖2 離子傳感微針陣列對不同離子的響應性能和檢測選擇性表征

接下來，研究人員進行了體內實驗，驗證了離子傳感工作電極檢測大鼠皮下Ca2?、K?和Na?波動的性能水平。體內實驗結果表明，離子傳感微針陣列能夠實時監(jiān)測Ca2?、K?和Na?濃度，并為臨床治療提供建議，最終證實了離子傳感微針陣列潛在的臨床適用性。

圖3 使用離子傳感微針陣列對大鼠（N = 3）進行為期3小時的體內連續(xù)離子監(jiān)測

最后，通過集成電路設計，研究人員將所提出的微針傳感器構建成可穿戴集成監(jiān)測系統(tǒng)。該集成系統(tǒng)有可能為與生理離子變化相關的疾病提供信息反饋?？傮w而言，該研究工作提供了一種強大的策略，可以廣泛用于皮下組織液中的離子檢測，甚至可以解決其他疾病問題。

圖4 離子傳感微針陣列配套電路板的設計和功能驗證

審核編輯：劉清