近年來，藥物濫用現(xiàn)象日益凸顯，對我國的公共衛(wèi)生安全和社會秩序構(gòu)成了嚴峻挑戰(zhàn)。特別是阿片類藥物，雖然在疼痛治療領(lǐng)域有著廣泛的應用，但其過度使用的問題不容忽視，每年因此導致的死亡案例數(shù)以千計，嚴重影響了國民的健康和社會的和諧穩(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用。然而，其使用過程中不可避免地伴隨著一定的風險，包括依賴性和過量使用的潛在危險，嚴重情況下可能導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，這一點在藥品研發(fā)和臨床應用領(lǐng)域顯得尤為突出。

近日，來自北卡羅萊納州立大學、北卡羅來納大學、加利福尼亞大學舊金山分校和印度可愛國際大學等研究團隊聯(lián)合攻關(guān)，共同開發(fā)了一種結(jié)合機器學習的3D打印導電微針電化學傳感器，旨在高效且經(jīng)濟地實現(xiàn)對布諾啡的精準檢測。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，該團隊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，實現(xiàn)了導電微針的快速規(guī)模化生產(chǎn)。此外，為提升用戶體驗，該團隊利用實驗數(shù)據(jù)訓練了機器學習模型，并開發(fā)了網(wǎng)頁應用以實時顯示布諾啡水平。

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。

研究團隊選用摩方精密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電性能，研究團隊采取了一系列精細操作：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，將微針陣列置入標準固化箱中，在100°C的高溫下進行10分鐘的固化處理。在導電微針陣列投入電化學研究使用之前，為防止非感測區(qū)域的電氣接觸，研究團隊還專門使用硅膠對電極的互連部分進行了密封屏蔽。

圖1. 機器學習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）通過機器學習模型進行額外分析的計算機，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顯微鏡圖像；e 和 f）不同角度和放大倍數(shù)下碳涂層導電3D打印微針陣列的光學顯微鏡圖像。

隨后，為了驗證所研發(fā)的導電微針陣列適用于經(jīng)皮傳感應用，團隊對微針陣列表面的碳涂層進行了介質(zhì)泄漏測試，所選介質(zhì)模擬了真實的生物體液環(huán)境。具體操作如下：將三個經(jīng)過干燥處理的碳涂層微針陣列分別置于三個不同pH值（分別為2、6和11）的溶液中，于試管內(nèi)浸泡48小時，如圖3d所示。經(jīng)過48小時浸泡后，將微針陣列取出，并通過光學顯微鏡進行觀察。光學顯微鏡成像結(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，從而證實了碳涂層微針陣列能夠在不同pH值的真實生物流體中穩(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)皮傳感應用中的實際效用時，微針的皮膚穿透能力是一個關(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行了皮膚穿透性能測試。光學成像結(jié)果明確顯示，微針陣列在穿透皮膚時，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，展示了兩個不同相（用黃色箭頭標記），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處理后的宏觀圖像；f）微針陣列穿刺后的豬皮在臺盼藍處理后的光學顯微鏡圖像。

在對導電微針陣列的機械強度及其皮膚穿透能力進行了深入研究之后，該研究進一步對該傳感平臺進行了電極穩(wěn)定性、氧化還原行為以及電化學特性的全面檢測，并采用方波伏安法技術(shù)，對導電微針陣列電極在布諾啡分析性能方面的表現(xiàn)進行了評估。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曲線。通過校準曲線的斜率，該研究計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，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校準曲線。

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時潛力的重要因素。為此，研究團隊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行了詳細探究。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)來進行評估。綜合多項實驗數(shù)據(jù)，可以確認，微針陣列布諾啡感測系統(tǒng)具備高度的選擇性、良好的重復性與再現(xiàn)性，以及穩(wěn)定的時間響應特性。該系統(tǒng)能夠高效、便捷地在仿生間質(zhì)液中實現(xiàn)微摩爾級別的布諾啡檢測，為傳感器的實際應用提供了堅實的科學依據(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間穩(wěn)定性和概念驗證的示意圖。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校準曲線。

此外，為了確保感測平臺能夠為終端用戶提供便捷的布諾啡快速檢測服務，研究團隊構(gòu)建了一個基于機器學習算法的模型，并據(jù)此開發(fā)了一款網(wǎng)絡應用程序，旨在直觀展示間質(zhì)液中布諾啡的濃度水平。在此過程中，實驗獲取的感測數(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，并計算出了系數(shù)值。該機器學習模型及配套的網(wǎng)絡應用程序能夠簡便地應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. 機器學習輔助的布諾啡檢測及通過網(wǎng)頁應用程序展示布諾啡水平的數(shù)值驗證。a）顯示由開發(fā)的機器學習模型獲得的擬合線的線性曲線；b）網(wǎng)頁應用程序前端頁面的截圖。c, d, e, f）在輸入相應電流值后，顯示計算出的布諾啡水平的網(wǎng)頁應用程序頁面的截圖。

總結(jié)：

該研究團隊成功研發(fā)了一款基于3D打印技術(shù)的碳涂層微針陣列電化學感測平臺，該平臺能夠借助機器學習技術(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，實現(xiàn)了導電微針表面的快速且規(guī)模化生產(chǎn)。所構(gòu)建的無線即時護理系統(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)絡應用程序的用戶界面實現(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。