光脉冲-水凝胶微针透皮提取系统的构建和在大分子血药监测应用的基础研究

Blood drug monitoring can help understand the drug concentration in the body, which is important for monitoring the therapeutic effect of disease and adjusting the treatment plan. Frequent blood withdrawal with conventional metal needles causes inconveniences and infection risks to patients. Significant progress has been achieved on microneedle technology on biomarkers detection in the interstitial fluid, but macromolecular drugs in blood still cannot be extracted or detected by microneedles. To solve this key issue, this project proposes to develop a laser coupled hydrogel microneedle system to achieve a convenient, bloodless collection method for extracting various types of macromolecule blood drugs from interstitial fluid for detection and analysis. The idea is based on the selective absorption of specific laser energy by hemoglobin in the capillary vessels to improve the permeability of capillary wall. Thus, macromolecules drugs in the blood can infiltrate into the interstitial fluid. Various type of macromolecule medicines in interstitial fluid can be extracted at one time by swellable hydrogel microneedle, and finally detected by standard analysis method. This project will explore the hydrogel microneedles fabrication and and their swelling and adsorption properties, the mechanism of laser enhancing macromolecule drugs exosmosis, and verify the feasibility of the system to extract and detect a variety of antibody drugs. It presents a convenient and safe technology for blood drug monitoring.

临床上血药监测有助于了解药物在体内的浓度，对于监测疾病治疗效果、调整治疗方案至关重要。常规金属针头频繁抽血给病人带来许多不便与感染风险。微针技术在检测皮下组织液中生物标记物的研究已取得乐观进展，但无法提取或检测到血液里的大分子药物。围绕此关键难题，本项目拟构建新型光脉冲-水凝胶微针系统，实现以便捷、非采血方式从皮下组织一次性提取多种大分子血药进行检测分析。基本思路是以抗体药物为血药模型，基于皮下微血管中血红蛋白对特定光脉冲的选择性吸收，利用光脉冲照射提高血管壁通透性，使血液中大分子血药外渗进入皮下组织液中富集；进而结合具有溶胀吸附特性的水凝胶微针无痛式透皮提取，一次性提取皮下组织液中的多种大分子血药，并采用标准分析方法进行检测。本项目将探索水凝胶微针的制备方法与其溶胀吸附特性、光脉冲增强大分子血药外渗的机制，及验证该系统提取检测多种抗体血药的可行性，有望为血药监测提供一种便捷、安全的技术。

微针技术在检测皮下组织液中生物标记物的研究已取得乐观进展，然而提取待测物的量不足、无法提取或无法检测到血液里的分子物质等问题仍有待解决。组织液作为一种未被充分开发且蕴含丰富生物蛋白信息的资源，其成分与血液相似。微针技术在透皮给药领域应用广泛，而在组织液提取检测方面的研究大多集中在小分子，在检测组织液中分子物质方面仍然存在效率低下的问题。微针阵列由于其无痛且操作简便的特性，为皮下组织液生物标志物的捕获、积累及分析提供了一个安全、便捷的平台。本项目基于多学科交叉研究，开展了材料化学、工程器件、生物医学等专业相交叉融合的微针阵列器件研究，构建了微针透皮提取系统，实现以便捷、非采血方式从皮下组织液中高效提取组织液中生化分子物质进行检测分析。本项目围绕发展微针透皮提取系统，研究具有生物体液提取效应的水凝胶微针，空心微针，多孔微针等微针阵列的制备方法。然后基于所构建的微针阵列，设计并制备能从生物组织或血管内提取生物标志物的微创式检测技术，并结合负压、光刺激或电刺激等技术提升微针提取组织液分子的效率。最后利用所构建的微针阵列提取系统，应用于生物健康指标与药物分子浓度的检测。通过该项目的实施，一共发表了15篇SCI论文，其中以(含共同)通讯作者在Materials & Design、Materials Horizons、ACS Sensors、Nanoscale、Biosensors、ACS Appl. Nano Mater.等期刊一共发表了9篇SCI论文，申请中国专利14项。该项目的研究工作将进一步发展成为诊疗一体化微针芯片系统，在组织液中原位富集生物大分子并提高大分子在组织液与血浆之间浓度相关性的能力，利用组织液实现生物健康指标与药物分子浓度的检测提供参考。