準確了解生物組織中氧分壓對患者的護理和缺血性疾病的治療至關重要。然而，目前測量組織中氧分壓的方法有諸多局限性，通常需要訓練有素的專業人員操作程序復雜的設備。

此外，角質層的屏障功能雖阻擋了皮膚氧氣交換，但也阻礙了透過表皮直接測量組織中快速變化的氧分壓。

為此，來自美國哈佛醫學院的Conor L. Evans教授團隊開發出一種可以克服皮膚屏障功能的氧敏磷光微針陣列（MNAs），可在0~160 mmHg的生理范圍內監測真皮層中的氧分壓。

此外，該MNAs可以與可穿戴設備結合，實現對氧分壓的無線實時監測。相關研究以“Phosphorescent Microneedle Array for the Measurement of Oxygen Partial Pressure in Tissue”為題于近期發表在ACS Sensors上。

氧敏磷光MNAs的制備和氧傳感機制

MNAs由長度和間距為1000 μm的6 × 6微針陣列組成（圖1a），該尺寸可以使微針有效地進入毛細血管層而不產生痛感。

研究人員選擇聚甲基丙烯酸乙酯（PEMA）和聚甲基丙烯酸丙酯（PPMA）作為制備微針的材料，因為這些透明聚合物具有高氧滲透性和良好的生物相容性。

背板則采用聚乳酸（PLA），該材料也具有良好的生物相容性和透明度，且氧滲透性弱于PEMA和PPMA。

MNAs還摻入了氧敏紅色磷光金屬卟啉分子，氧氣會使氧敏磷光分子產生能量轉移，減小熒光強度和壽命，形成反比例關系。

MNAs穿透角質層后，組織間質液和毛細血管層中的氧氣擴散到氧敏微針上，通過熒光強度和壽命的變化監測血氧含量（圖1b）。

圖1 （a）MNAs的尺寸；（b）皮膚中MNAs的氧傳感機制；（c）光學無線可穿戴讀取系統

MNAs的磷光特性

MNAs的磷光特性通過在不同氧分壓環境下測得的發射光譜和磷光壽命曲線來表征。圖2a展示了PEMA和PPMA磷光微針在空氣和氮氣中的發射光譜。

如圖2b所示，在氮氣中，PEMA和PPMA微針的磷光壽命分別為93.1 μs和94.0 μs。當轉化為空氣時，兩者分別下降到44.2 μs和37.8 μs。

PEMA中較小的乙基可以減緩氧氣通過聚合物基質擴散到卟啉分子的速度。因此，氧氣與卟啉分子的碰撞在PEMA中不像在PPMA中那樣頻繁，更少的卟啉分子被氧氣淬滅，因而平均熒光壽命更長。

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圖2 PEMA和PPMA磷光微針在空氣和氮氣中的（a）發射光譜和（b）磷光壽命曲線

MNAs的機械穩定性和皮膚滲透力

圖3a直觀地證明了熒光只在MNAs微針表面而不在MNAs背板中，這表明實驗所用的微針加工技術可以制備具有透明背板和發光針的MNAs，這保證了光子在背板間的高效傳輸并有效減小了測量背景信號。

機械穩定性則通過穿刺離體豬皮測試（圖3b）。將PEMA MNAs按壓在離體豬皮上，針發生了彎曲，但沒有一根斷裂（圖3c），這表明制備微針所用的聚合物在穿透角質層時足夠強健，沒有喪失其機械穩定性。

此外，光學相干層析成像（OCT）（圖4）顯示，穿透深度在400 μm~500 μm之間，該深度足以測量皮膚毛細血管和組織間質液中的氧含量。若需到達更深的組織層和皮膚毛細血管層，可以制備尺寸更長的針。但是當針的長度增加到1000 μm~1450 μm以上，會產生痛感。

圖3 （a）制備后的PEMA MNAs照片；（b）臺盼藍處理過的PEMA MNAs應用后的豬皮照片；（c）插入豬皮后的PEMA MNAs照片

圖4 （a）按壓PEMA MNAs時和（b）應用PEMA MNAs后豬皮的OCT圖像

MNA的氧傳感能力

在豬皮上測試MNAs氧傳感能力之前，PEMA和PPMA MNAs先在氣控箱中進行校準。在氣控箱中PEMA和PPMA MNAs磷光壽命隨氧分壓的變化如圖5a所示。

隨著氧分壓的增加，PEMA和PPMA的磷光壽命分別從92.3 μs和93.4 μs縮短到45.6 μs和38.1 μs。氧分壓與卟啉的發射強度和磷光壽命的變化呈負相關。MNAs的靈敏度則通過Stern?Volmer公式轉換的散點圖得到，圖5b表明PPMA MNAs靈敏度更高。

隨后研究人員在離體豬皮上測試MNAs的氧傳感能力。MNAs測量的氧分壓（PO?）值如圖6所示，MNAs的PO?值與皮下參考氧探針的變化趨勢一致，但MNAs測得的PO?值更低一些；與皮膚表面的參考傳感器相比，MNAs的PO?值則更高。

MNAs與參考探針測量值的差異是因為參考探針穿透深度比MNAs更深。當樣本皮膚底部暴露在空氣中而表面覆蓋塑料薄膜時，氣體交換優先發生在皮下更深的地方,更接近樣本底部的參考探針自然比MNAs和皮膚表面的參考探針更早檢測到氧含量的變化。與PPMA MNAs相比，PEMA MNAs的PO?值在檢測到氧分壓升高前出現延遲，這種靈敏度上的差異是因PPMA比PEMA具有更好的氧滲透性。

圖5PEMA和PPMA MNAs的（a）磷光壽命隨氧分壓的變化以及（b）相應的Stern?Volmer圖

圖6 （a）PEMA和（b）PPMA MNAs測定離體豬皮中的氧分壓

研究人員也考慮了微針使用后的形變是否對PO?測量有影響。結果表明，MNAs在使用前和使用28周后對氧氣靈敏度沒有顯著差異（圖7）。

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圖7 （a）PEMA和（b）PPMA MNAs在皮膚上應用前和28周后的磷光壽命與氧分壓的比較

MNAs與可穿戴讀取系統的結合

連接有PPMA MNAs的可穿戴設備測量的氧分壓如圖8所示，其與皮膚內參考氧傳感器的PO?值趨勢一致，但其數值低于參考值。此外，可穿戴設備的PO?值在檢測到氧分壓升高時，出現了與圖6a中相似的延遲現象。

圖8用PPMA MNAs和可穿戴設備測量分離豬皮的氧分壓

綜上所述，這款氧敏MNAs能克服角質層的屏障功能，在0~160 mmHg生理范圍內測量皮下的氧分壓。MNAs與可穿戴設備的結合表明這項技術可以以小型化、用戶友好的形式在醫院和急診室進行血氧監測。在未來臨床實驗前，可先在大型動物上測試，以確保MNAs在活體復雜條件下的氧傳感能力。

審核編輯：劉清