最新研究成果：3D打印碳涂層微針陣列傳感器用于檢測布諾啡

近年來，藥物濫用現(xiàn)象日益凸顯，對我國的公共衛(wèi)生安全和社會(huì)秩序構(gòu)成了嚴(yán)峻挑戰(zhàn)。特別是阿片類藥物，雖然在疼痛治療領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用，但其過度使用的問題不容忽視，每年因此導(dǎo)致的死亡案例數(shù)以千計(jì)，嚴(yán)重影響了國民的健康和社會(huì)的和諧穩(wěn)定。其中，布諾啡作為一種合成阿片類藥物，在治療藥物依賴和疼痛控制方面得到了廣泛的應(yīng)用。然而，其使用過程中不可避免地伴隨著一定的風(fēng)險(xiǎn)，包括依賴性和過量使用的潛在危險(xiǎn)，嚴(yán)重情況下可能導(dǎo)致呼吸抑制乃至死亡。鑒于此，開發(fā)新型布諾啡濃度檢測技術(shù)，對于預(yù)防藥物依賴和減少過量使用具有至關(guān)重要的意義，這一點(diǎn)在藥品研發(fā)和臨床應(yīng)用領(lǐng)域顯得尤為突出。

近日，來自北卡羅萊納州立大學(xué)、北卡羅來納大學(xué)、加利福尼亞大學(xué)舊金山分校和印度可愛國際大學(xué)等研究團(tuán)隊(duì)聯(lián)合攻關(guān)，共同開發(fā)了一種結(jié)合機(jī)器學(xué)習(xí)的3D打印導(dǎo)電微針電化學(xué)傳感器，旨在高效且經(jīng)濟(jì)地實(shí)現(xiàn)對布諾啡的精準(zhǔn)檢測。該傳感器在人工腸液中展現(xiàn)了高靈敏度和選擇性，檢測布諾啡的范圍可為2至140 μM，檢測限為0.129 μM。其中，該團(tuán)隊(duì)采用摩方精密面投影微立體光刻（PμSL）3D打印技術(shù)和空氣噴涂工藝，實(shí)現(xiàn)了導(dǎo)電微針的快速規(guī)模化生產(chǎn)。此外，為提升用戶體驗(yàn)，該團(tuán)隊(duì)利用實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)訓(xùn)練了機(jī)器學(xué)習(xí)模型，并開發(fā)了網(wǎng)頁應(yīng)用以實(shí)時(shí)顯示布諾啡水平。

相關(guān)研究成果以“Minimally invasive detection of buprenorphine using a carbon?coated 3D?printed microneedle array”為題發(fā)表在國際期刊《Microchimica Acta》上。

研究團(tuán)隊(duì)選用摩方精密BIO（生物兼容性）樹脂作為打印材料，并借助nanoArch® S130（精度：2 μm）3D打印設(shè)備，成功制備了這一微針陣列。隨后，為了賦予打印出的微針陣列以導(dǎo)電性能，研究團(tuán)隊(duì)采取了一系列精細(xì)操作：首先，將碳墨水均勻化處理，并精確地涂覆至3D打印的微針陣列之上。接著，將微針陣列置于穩(wěn)定氣流中，保持與表面呈90°角，并維持固定距離5秒鐘，以確保導(dǎo)電墨水均勻覆蓋于陣列表面。完成涂覆后，將微針陣列置入標(biāo)準(zhǔn)固化箱中，在100°C的高溫下進(jìn)行10分鐘的固化處理。在導(dǎo)電微針陣列投入電化學(xué)研究使用之前，為防止非感測區(qū)域的電氣接觸，研究團(tuán)隊(duì)還專門使用硅膠對電極的互連部分進(jìn)行了密封屏蔽。

圖1. 機(jī)器學(xué)習(xí)輔助檢測布諾啡的示意圖。a）碳涂層3D打印微針陣列電極的逐級制備過程；b）3D打印微針陣列在碳涂前（黃色）和碳涂后（黑色）的照片；c）碳涂層微針陣列插入皮膚層并與無線傳感器連接的示意圖; d）通過機(jī)器學(xué)習(xí)模型進(jìn)行額外分析的計(jì)算機(jī)，隨后展示布諾啡水平數(shù)值。

圖2. 超鋒利微針陣列結(jié)構(gòu)的示意圖。a 和 d）打印后（黃色）和碳涂層導(dǎo)電（黑色）微針陣列的宏觀圖像；b 和 c）不同角度和放大倍數(shù)下3D打印微針陣列的光學(xué)顯微鏡圖像；e 和 f）不同角度和放大倍數(shù)下碳涂層導(dǎo)電3D打印微針陣列的光學(xué)顯微鏡圖像。

隨后，為了驗(yàn)證所研發(fā)的導(dǎo)電微針陣列適用于經(jīng)皮傳感應(yīng)用，團(tuán)隊(duì)對微針陣列表面的碳涂層進(jìn)行了介質(zhì)泄漏測試，所選介質(zhì)模擬了真實(shí)的生物體液環(huán)境。具體操作如下：將三個(gè)經(jīng)過干燥處理的碳涂層微針陣列分別置于三個(gè)不同pH值（分別為2、6和11）的溶液中，于試管內(nèi)浸泡48小時(shí)，如圖3d所示。經(jīng)過48小時(shí)浸泡后，將微針陣列取出，并通過光學(xué)顯微鏡進(jìn)行觀察。光學(xué)顯微鏡成像結(jié)果顯示，碳涂層的結(jié)構(gòu)未發(fā)生改變，且涂層中的碳墨水未出現(xiàn)泄漏現(xiàn)象，從而證實(shí)了碳涂層微針陣列能夠在不同pH值的真實(shí)生物流體中穩(wěn)定工作，適用于經(jīng)皮感測生物分子。

在評估基于微針技術(shù)的設(shè)備在經(jīng)皮傳感應(yīng)用中的實(shí)際效用時(shí)，微針的皮膚穿透能力是一個(gè)關(guān)鍵考量因素。因此，該研究在模擬人類皮膚特性的豬皮模型上，對所打印的微針陣列進(jìn)行了皮膚穿透性能測試。光學(xué)成像結(jié)果明確顯示，微針陣列在穿透皮膚時(shí)，僅形成了局限性的創(chuàng)傷，且未對周圍皮膚組織造成任何損害。這些測試結(jié)果充分證明了微針陣列具備有效的皮膚穿透能力，同時(shí)保持了周圍皮膚的完整性。據(jù)此，可以推斷微針陣列具備潛力作為經(jīng)皮傳感平臺的制造基礎(chǔ)。

圖3. 通過掃描電子顯微鏡（SEM）圖像展示碳涂層的微尺度細(xì)節(jié)。SEM圖像展示了a）未包覆的單根微針表面；b）碳涂層單根微針表面；c）放大后的碳涂層單根微針表面的SEM圖像，展示了兩個(gè)不同相（用黃色箭頭標(biāo)記），表明3D打印微針上存在碳涂層；d）微針陣列在不同介質(zhì)中（類似于真實(shí)生物流體）的碳涂層泄漏測試的宏觀照片插圖；e）微針陣列穿刺后的豬皮在臺盼藍(lán)處理后的宏觀圖像；f）微針陣列穿刺后的豬皮在臺盼藍(lán)處理后的光學(xué)顯微鏡圖像。

在對導(dǎo)電微針陣列的機(jī)械強(qiáng)度及其皮膚穿透能力進(jìn)行了深入研究之后，該研究進(jìn)一步對該傳感平臺進(jìn)行了電極穩(wěn)定性、氧化還原行為以及電化學(xué)特性的全面檢測，并采用方波伏安法技術(shù)，對導(dǎo)電微針陣列電極在布諾啡分析性能方面的表現(xiàn)進(jìn)行了評估。如圖4c所示，記錄了不同濃度布諾啡下的方波伏安光譜，其中頻率設(shè)定為10 Hz，電壓和振幅的步長分別設(shè)定為0.01 V和0.1 V。觀察圖4c可知，隨著布諾啡濃度的遞增，峰電流亦呈現(xiàn)出穩(wěn)定上升的趨勢。此外，圖4d展示了氧化電流峰值與布諾啡濃度之間的校準(zhǔn)曲線。通過校準(zhǔn)曲線的斜率，該研究計(jì)算了基于微針陣列的布諾啡傳感平臺的靈敏度，結(jié)果顯示其對于布諾啡的檢測在可接受范圍內(nèi)，為布諾啡傳感器的開發(fā)提供了充分的數(shù)據(jù)支持。

圖4. 碳涂層微針陣列電極的電極穩(wěn)定性、掃描速率和電化學(xué)特性示意圖。a）在K?[Fe(CN)?]溶液（3 mM）中以恒定掃描速率50 mV/s收集的循環(huán)伏安光譜（五次掃描）；b）掃描速率研究響應(yīng)，掃描速率從20變化到100 mV/s；c）碳涂層微針陣列電極對新鮮PBS溶液（0.1 M, pH 7.4）中遞增水平的布諾啡的方波伏安光譜；d）氧化電流峰值與不同水平布諾啡之間的對應(yīng)校準(zhǔn)曲線。

盡管基于微針陣列的布諾啡感測系統(tǒng)展現(xiàn)了優(yōu)異的感測性能，但傳感器對布諾啡的選擇性也是評估傳感器實(shí)時(shí)潛力的重要因素。為此，研究團(tuán)隊(duì)對可能存在的干擾物質(zhì)（環(huán)糊精、抗壞血酸、對乙酰氨基酚、尿酸和茶堿）對布諾啡測定的影響進(jìn)行了詳細(xì)探究。該研究通過記錄這些干擾物質(zhì)存在條件下的方波伏安光譜數(shù)據(jù)來進(jìn)行評估。綜合多項(xiàng)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，可以確認(rèn)，微針陣列布諾啡感測系統(tǒng)具備高度的選擇性、良好的重復(fù)性與再現(xiàn)性，以及穩(wěn)定的時(shí)間響應(yīng)特性。該系統(tǒng)能夠高效、便捷地在仿生間質(zhì)液中實(shí)現(xiàn)微摩爾級別的布諾啡檢測，為傳感器的實(shí)際應(yīng)用提供了堅(jiān)實(shí)的科學(xué)依據(jù)。

圖5. 制備的微針陣列電極對潛在藥理干擾化合物的方波伏安光譜，包括抗壞血酸、尿酸、對乙酰氨基酚、茶堿、布諾啡。

圖6. 通過模擬皮膚層展示時(shí)間穩(wěn)定性和概念驗(yàn)證的示意圖。a）制備的微針陣列電極的長期穩(wěn)定性；b）碳涂層微針陣列電極對通過模擬皮膚層的人工間質(zhì)液中遞增水平的布諾啡的方波伏安光譜；c）氧化電流與布諾啡水平之間的相應(yīng)校準(zhǔn)曲線。

此外，為了確保感測平臺能夠?yàn)榻K端用戶提供便捷的布諾啡快速檢測服務(wù)，研究團(tuán)隊(duì)構(gòu)建了一個(gè)基于機(jī)器學(xué)習(xí)算法的模型，并據(jù)此開發(fā)了一款網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用程序，旨在直觀展示間質(zhì)液中布諾啡的濃度水平。在此過程中，實(shí)驗(yàn)獲取的感測數(shù)據(jù)被輸入到單變量線性回歸模型中，以預(yù)測布諾啡的濃度。所開發(fā)的模型通過優(yōu)化最小二乘成本函數(shù)，確定了最佳的回歸線，并計(jì)算出了系數(shù)值。該機(jī)器學(xué)習(xí)模型及配套的網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用程序能夠簡便地應(yīng)用于快速測定微摩爾級別的布諾啡濃度，從而大大提升了檢測效率。

圖7. 機(jī)器學(xué)習(xí)輔助的布諾啡檢測及通過網(wǎng)頁應(yīng)用程序展示布諾啡水平的數(shù)值驗(yàn)證。a）顯示由開發(fā)的機(jī)器學(xué)習(xí)模型獲得的擬合線的線性曲線；b）網(wǎng)頁應(yīng)用程序前端頁面的截圖。c, d, e, f）在輸入相應(yīng)電流值后，顯示計(jì)算出的布諾啡水平的網(wǎng)頁應(yīng)用程序頁面的截圖。

總結(jié)：

該研究團(tuán)隊(duì)成功研發(fā)了一款基于3D打印技術(shù)的碳涂層微針陣列電化學(xué)感測平臺，該平臺能夠借助機(jī)器學(xué)習(xí)技術(shù)，簡便快捷地測定間質(zhì)液中微摩爾級別的布諾啡濃度。該微針陣列感測平臺的制造采用了增材制造技術(shù)和空氣噴涂工藝，實(shí)現(xiàn)了導(dǎo)電微針表面的快速且規(guī)模化生產(chǎn)。所構(gòu)建的無線即時(shí)護(hù)理系統(tǒng)展現(xiàn)了優(yōu)異的靈敏度、極低的檢測下限，并在存在潛在藥理干擾化合物的情況下，對布諾啡保持了可接受的選擇性。此外，所建立的線性回歸模型在布諾啡濃度檢測性能上表現(xiàn)優(yōu)異，且通過基于網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用程序的用戶界面實(shí)現(xiàn)了數(shù)值的直觀展示，從而為布諾啡的快速、簡便、用戶友好的測定提供了支持。此外，該研究成果亦為其他生物感測平臺的制造提供了潛在的策略，為間質(zhì)液中其他生物分子的檢測提供了降本增效的新途徑。