激素与代谢物之间的协同作用调控着消化、免疫和能量利用等关键生理过程，但现有的穿戴式传感器往往难以在自由活动状态下同时追踪这两种信号，传统微针在皮肤变形时容易移位或脱落。近日，美国加州理工学院高伟教授团队在《自然·纳米技术》上发表研究论文，他们报道的应变隔离微针平台能够对组织间质液中的血清素和葡萄糖进行长达12小时的无线监测，并在自由活动的大鼠身上捕捉到了应激、进食和昼夜节律相关的动态变化。
研究团队把双光子聚合3D打印的微针母版和超声辅助模塑技术结合到了一起，母版带有螺旋凹槽结构并且尖端锐度达到约430纳米。超声辅助模塑先让甲苯蒸汽润湿聚二甲基硅氧烷模具，这样模具表面的浸润性大大改善，随后施加的超声空化效应还能把深腔里的气泡彻底赶出去，所以高黏度的聚苯乙烯溶液能够完整填满整个型腔。相比之下，真空、等离子处理和离心浇铸等方法都留下未填充的空洞，导致针尖钝化和结构不完整。这种新工艺不仅精确复制了母版的锐利尖端和表面纳米粗糙度，而且在五批独立制备中把针高和基底宽度的偏差控制在了百分之一以内，同时可重复使用的模具也降低了批量生产的成本。穿刺实验证明，锐利尖端所需的插入力大约只有钝头微针的一半，在多层皮肤模型中的穿透深度却达到了钝头针的六倍左右，微结构本身还让电化学活性面积比平滑针体提升了1.65倍。
每根微针只承担一个传感功能，这样减少了皮肤穿刺点的数量，但依然保证了足够的灵敏度。血清素检测用的适配体固定于电沉积金纳米结构表面，血清素结合后引起适配体构象改变，进而调制方波伏安法的峰电流，这种设计让峰电流比普通金微针高出4.7倍；葡萄糖传感器则构建在纳米多孔铂电极上，葡萄糖氧化酶嵌在壳聚糖基质内，外层涂覆Nafion膜，该膜能排斥带负电的干扰物而允许酶反应生成的过氧化氢到达铂表面被氧化，多孔铂的活性面积达到无孔铂的9倍。两种传感器在12小时连续运行中都保持了良好的信号重复性，对尿酸、抗坏血酸、多巴胺和常见无机盐离子几乎没有交叉响应，并且在血清环境中的校正曲线与缓冲液中的趋势一致，只是绝对灵敏度因基质效应有所下降。
研究团队设计的应变隔离固定装置包含一个锚定环和一个压缩帽，锚定环拉紧微针周围的皮肤形成局部的缓冲区，压缩帽则提供恒定的下压力使得微针在皮肤拉伸或弯曲时依然稳稳地嵌在组织里。有限元模拟显示，即使皮肤表面承受25%的拉伸应变，微针尖端附近的局部应变几乎保持不变；活体大鼠实验也证实，用胶带固定的微针在拉伸和弯折时阻抗波动达到20%左右，而配备了隔离器的微针阻抗变化微乎其微，并在连续12小时自由活动中始终维持稳定接触。组织学检查表明，微针在佩戴24小时后仍处于真皮层内，移除后留下的微通道清晰可见并且未见明显的急性炎症或出血。无线模块采用无电池近场通信和超级电容器储能，能够在射频供能间歇期继续工作。利用这套平台，研究团队在应激刺激中观测到血清素迅速飙升而葡萄糖缓慢爬升的不同时间特征，在禁食后进食过程中发现血糖快速上升而血清素先波动后回落，在昼夜监测中还确认了血清素早高午低晚升的节律性波动，这些结果与已知的应激性高血糖、肠道血清素调节和昼夜节律调控机制相吻合。
这项研究展示了一种集成了精密制造、机械隔离和多靶标传感的可穿戴监测策略，为解析激素与代谢物之间的动态耦合关系提供了新工具。目前该平台的使用寿命受限于生物污损和识别分子降解，大约只有一天，但研究团队已经提出通过开发抗污界面和免校准方案来推动其向临床应用迈进。
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