近日，南京工业大学药学院药物分析教研室高兵兵副教授、新加坡国立大学（NUS）Chwee Teck Lim（林水德）院士在美国化学会旗下重要期刊ACS Sensors 发表综述文章，系统回顾了微针（Microneedles, MNs）在智能可穿戴医疗设备中的结构设计策略，特别强调其与多功能传感单元的深度融合对伤口愈合等复杂医疗需求的推动作用。研究聚焦于利用微针结构的微创穿刺优势，结合仿生灵感与先进制造工艺，构建兼具实时监测、生物信号采集与响应式药物递送能力的智能贴敷系统。作者全面介绍了空心、锥形、金字塔形、核壳型、可脱落型等典型微针结构的设计原理与力学性能，并分析其在穿刺效率、药物控释与传感响应中的关键作用。同时，文章对各类天然与合成材料（如丝素蛋白、透明质酸、PLGA、PCL、CNTs等）在微针制备中的应用及其与电化学、光学、热响应型传感单元的适配性进行了深入探讨。特别值得关注的是，作者从仿生学角度出发，系统归纳了鲨鱼齿、章鱼吸盘、肠绒毛、灯笼鱼齿等自然结构对微针构型的启发，展示其在增强皮肤贴附性、摩擦电驱动以及感应释放中的潜在优势。文章还提出将微针结构作为体液监测的“界面单元”，不仅能提升pH、葡萄糖、ROS等关键生理指标的采集效率，也为“感知-反馈-治疗”一体化的闭环治疗提供了技术基础。此外，作者整理了当前典型微针平台的材料种类、传感机制、响应时间和持续工作能力，为智能创伤愈合、个性化治疗与远程健康监护等方向的系统集成提供重要参考。该综述不仅建立了结构设计—材料性能—传感集成三者协同作用的理论框架，也清晰描绘了从基础研究到临床应用的转化路径，对推动下一代智能可穿戴医疗设备的发展具有重要的指导意义。南京工业大学药学院硕士生吴烔为论文第一作者，药学院药物分析教研室高兵兵副教授、新加坡国立大学Chwee Teck Lim院士为论文的通讯作者。
研究背景
皮肤作为人体最大的器官，是抵御外界病原、化学刺激与物理损伤的第一道屏障。创伤发生后若未及时干预，极易引发感染、炎症甚至慢性溃疡。传统敷料如纱布和敷贴，虽可暂时覆盖创口、吸收渗出液，但缺乏对伤口愈合状态的动态监测，也难以实现按需用药，常造成敷料频繁更换、二次损伤和治疗依从性下降等问题。
近年来，微针（Microneedle, MN）技术作为一种微创、无痛的经皮药物输送与采样手段，逐渐展现出在伤口管理中的广阔应用前景。微针通过在皮肤表层产生微小通道，不仅可实现局部递药、抗菌治疗、促进组织修复，还能兼容传感模块，用于pH值、温度、ROS等指标的实时监测。尤其在可穿戴设备快速发展的背景下，集成传感功能的智能微针绷带，能够打破传统“被动治疗”模式，建立“实时感知-反馈控制-精准治疗”的闭环系统，显著提升治疗效率与个体化水平。本文将系统梳理微针绷带在结构设计、仿生策略、材料选择与传感集成方面的关键进展，探讨其在智能创伤治疗中的发展趋势与挑战。
图1. 传统与仿生结构微针敷料在生物传感领域的综合应用。
经典微针结构设计
微针的结构形式直接决定其穿刺效率与功能实现方式。当前应用广泛的结构包括金字塔形、锥形、中空型、核壳型与可脱离结构。金字塔结构通过锐利几何设计降低插入阻力，适合负载抗氧化因子用于深层组织治疗；锥形结构则在保障穿透力的同时减小对皮肤的损伤，更适用于表浅创口。中空结构内设微通道，可采集组织液或递送药物，实现诊疗同步；核壳结构通过分层设计实现载药与控释功能的空间分离，提高释放精准度；可脱离结构则可在一次插入后实现长效治疗，减少更换频率，提升使用便利性。这些结构的不断优化，为微针在伤口管理、感染控制等多场景下提供了多样化解决方案。
图2. 不同结构的典型微针示意图。
仿生结构微针发展
仿生结构为微针性能提升提供了全新路径。研究者借鉴鲨鱼齿、章鱼吸盘、肠绒毛等天然模型，设计出具备增强附着力、柔性贴合与多点感知能力的微针系统。例如，仿鲨鱼齿结构提升了穿刺稳定性，适用于活动部位创口；肠绒毛形态增强了微针柔韧性与复杂部位的贴合能力；仿灯笼鱼齿结构则通过短针与长针组合形成牵引力场，促进创口闭合；而珊瑚结构的分级多孔道设计，不仅提升了渗出液采集效率，还可实现pH响应性色变，辅助感染监测。通过微观仿生与响应功能的协同，这些微针正在推动智能绷带向更高效、智能、自适应的方向发展。
图3. 不同类型的仿生微针结构示意图。
微针材料与传感平台的协同发展
微针的材料属性在其结构稳定性、传感兼容性及生物降解能力中起关键作用。传统材料如硅、钛、陶瓷等虽具高机械强度，但柔性差、生物适应性有限。近年来，聚乳酸-羟基乙酸（PLGA）、聚乙烯醇（PVA）、羧甲基纤维素（CMC）等可降解聚合物材料广泛应用于微针制造，兼顾结构支撑与安全降解。新兴材料方面，碳纳米管（CNTs）、MXene、石墨烯等导电材料的引入，使微针具备电化学传感、光热控制与应激反馈等多种功能。例如，将CNTs分布于微针尖端可通过外部刺激释放VEGF，加速血管生成；利用MXene在红外激发下的光热效应，驱动药物定向释放。此外，水凝胶材料因其高含水量和生物相容性，在负载生物活性分子与实现体液交换中表现突出。PEGDA、HAMA等水凝胶常用于构建响应性微针平台，并与比色传感、表面增强拉曼等技术协同，实现创面炎症状态的可视化监测。
在传感机制方面，电化学、光学和热学信号转换构成了当前主流路径。典型如葡萄糖氧化酶（GOx）介导的电流变化可用于动态监测组织间液中的葡萄糖水平；荧光纳米颗粒则可在紫外或NIR激发下用于药物释放追踪；相变材料和热敏导电聚合物则可反馈局部温度变化。通过对材料结构、电性能、生物活性的统筹设计，微针平台已逐渐从“载药系统”转型为“诊疗一体化”器件，服务于慢性伤口、糖尿病足、术后感染等精准治疗需求。
图4. 制作集成传感功能的微针材料示意图
结论与展望
微针绷带作为一种集递药、感知与反馈于一体的智能医疗平台，正在推动伤口管理向个性化、动态化与闭环治疗发展。结构设计的不断优化提升了穿刺效率、组织适配性与药物释放可控性；材料创新增强了系统的生物相容性、降解性能与功能集成潜力；而柔性传感模块则实现了对pH、温度、ROS等创面关键参数的实时监测和响应控制。尽管该技术已在实验与动物模型中展现出良好前景，但在系统稳定性、制造成本控制、长时间佩戴舒适性以及传感准确性方面仍需进一步优化。未来研究将聚焦于智能算法驱动下的多指标联动控制、自愈合与可降解材料的工程化应用、多模态信号融合机制的构建，以及远程医疗平台的系统对接。随着柔性电子、无线通信与人工智能等前沿技术的协同发展，智能微针绷带有望在慢性伤口、术后监护和远程护理等场景中实现广泛应用，成为新一代可穿戴医疗设备的重要组成部分，助力建立精准、高效、无创、连续的下一代健康管理体系。
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Structural Design Strategies for Advancing Sensing on Wearable Meta-Microneedle Bandages
Tong Wu, Xin Li, Bingbing Gao*, Ippei Yagi, Chwee Teck Lim*
ACS Sens., 2025, DOI: 10.1021/acssensors.5c01593
作者简介
吴烔
南京工业大学 硕士研究生
本文第一作者，南京工业大学药学院硕士研究生，研究方向为超粘附微针贴片。
高兵兵 副教授
南京工业大学
本文通讯作者，南京工业大学药学院副教授，硕士生导师，2017年在东南大学生物科学与医学工程学院获得博士学位，2017-2019在东南大学从事博士后研究工作两年，2019年至今在南京工业大学药学院从事教学及科研工作，期间赴新加坡国立大学（合作导师：Prof. Chwee Teck LIM林水德院士）访学，2025年入选江苏青蓝工程优秀青年骨干教师，主要研究方向为：超结构微流控柔性芯片。以第一作者、通讯作者身份发表100余篇SCI论文，包括ACS Nano, Advanced Functional Materials，Small，Science Bulletin，Chemical Engineering Journal，Journal of Controlled Release，Analytical Chemistry，Sensors and Actuators B: Chemical等，申请专利10余项，授权6项，主持重点研发计划子课题（2项）、国家自然科学基金（面上、青年各1项）、江苏省自然科学基金（1项）、江苏高校自然科学基金（1项）、企业横向项目（2项）。
https://www.x-mol.com/groups/kobin
Prof. Chwee Teck LIM
林水德院士
新加坡国立大学
本文通讯作者，新加坡国立大学教授，英国皇家学会院士、国际工程与应用数学研究所（IUPESM）、美国国家发明家学会院士、美国生物医学工程学会院士、国际生物医学工程学会院士、东盟工程与技术学院院士、新加坡工程院院士、新加坡国家科学院院士以及英国工程师学会院士。主要研究方向：包括人类疾病机械生物学以及医疗应用微流体和可穿戴技术的开发。获得了 100 多个研究奖项和荣誉，其中包括《自然》杂志终身成就奖、亚洲最具影响力科学家、高被引研究员、IES 著名工程成就奖、东盟杰出工程成就奖、亚洲科学家 100 强、瑞士信贷年度技术企业家奖、《华尔街日报》亚洲创新奖（金奖）和总统技术奖等。已发表500多篇期刊出版物以及500多场特邀讲座。文章总共被引用超过69365次，科研成就指数h-index超过134。
