水凝膠微針的應用與化學分析

水凝膠微針是一種結合水凝膠與微小針狀結構的裝置。可吸水膨潤的高分子網絡，既可形成針體，也可包覆在金屬微針表面。當微針穿過皮膚表層，水凝膠便可作為藥物傳輸或組織液採樣的介面。其中，組織液採樣讓研究者能以較低侵入的方式，取得病灶或反應部位的蛋白質資訊。

組織液採樣與黑色素瘤標誌物檢測

香港城市大學生物醫學工程學系研究團隊，以黑色素瘤相關蛋白 S100A1 為目標，結合水凝膠微針採樣與微流體晶片判讀。研究考量到組織切片的侵入性，以及傳統酵素連結免疫吸附分析（ELISA）對讀取設備的依賴，希望建立便於局部採樣與現場定量的檢測方式。

研究使用甲基丙烯醯化玻尿酸（methacrylated hyaluronic acid，MeHA）製成微針，利用吸水膨潤採集組織液。將樣本從微針中洗脫取出後，先與抗體修飾的微粒反應，再導入微流體晶片。晶片透過磁力分離與微粒攔截，將 S100A1 濃度轉換成肉眼可讀的微粒累積長度。

在黑色素瘤小鼠模型中，研究觀察到局部組織液的 S100A1 隨腫瘤增大而增加，晶片定量結果也與 ELISA 具有良好一致性。這項設計將微針採樣接上可視化讀值，降低判讀時對外部儀器的依賴。[1]

金屬微針與水凝膠塗層的結合

採樣需求也會影響微針的材料與結構設計。2021 年，英國動植物健康局、美國麻省理工學院與美國賓夕法尼亞州立大學等機構的合作團隊（Steinbach 等人），希望追蹤牛結核菌素皮膚試驗部位的局部免疫反應，並減少反覆組織活檢的需求。他們採用不鏽鋼微針作為穿刺骨架，再於表面包覆可吸收組織液的水凝膠，讓穿刺與吸液分別由金屬針和外層材料承擔。

水凝膠塗層以海藻酸鹽（alginate）為主要材料，並加入蔗糖，以提高塗層插入皮膚時的機械韌性及膨潤能力。製作這種複合微針，需要先處理金屬表面，再讓水凝膠塗層附著於針體。

塗覆前的氧電漿表面處理

研究先使用 Harrick Plasma PDC-32G 對裸不鏽鋼微針進行氧電漿處理，接著以聚 L-離胺酸（poly(L-lysine)，PLL）在針體表面形成吸附層。PLL 層用來促進後續海藻酸鹽的靜電附著。之後塗上海藻酸鹽與蔗糖溶液，再加入氯化鈣，使海藻酸鹽透過鈣離子交聯形成水凝膠塗層。

完成塗覆後，研究以離體牛皮確認微針能穿入皮膚，並從採得的組織液中回收免疫球蛋白 G（IgG）；接著在接種卡介苗的犢牛上，取得結核菌素注射部位不同時間點的樣本，觀察局部細胞激素與趨化因子的變化。[2]

高膨潤水凝膠的化學分析

除了針體結構與表面處理，水凝膠本身的組成及交聯結構，也會影響吸液與分子傳輸。在材料開發中，傅立葉轉換紅外光譜（FTIR）可用來觀察官能基與化學鍵的變化，協助理解不同成分及製程條件如何影響網絡的形成。

英國貝爾法斯特女王大學藥學院的 Donnelly 研究團隊，希望讓微針輸送較高劑量的藥物，並擴及蛋白質傳輸。他們將微針與凍乾儲藥層搭配，讓藥物經由吸水膨潤的針體進入皮膚，因此材料需要兼顧吸水能力與網絡完整性。

研究以甲基乙烯醚－馬來酸共聚物（PMVE/MA）與聚乙二醇（PEG）製作水凝膠，並加入碳酸鈉調整膨潤表現。加熱時，PMVE/MA 的羧酸基與 PEG 的羥基反應形成酯鍵，建立交聯網絡。為了解其中的化學變化，研究以 FTIR 搭配 MIRacle 鑽石衰減全反射（ATR）附件，量測乾燥凝膠，比較有無碳酸鈉及交聯前後的光譜。

交聯後出現的 1750–1800 cm⁻¹ 吸收帶被歸屬於新形成的酯鍵；高膨潤水凝膠另在 1500–1600 cm⁻¹ 出現羧酸鹽訊號。這些訊號支持碳酸鈉使部分羧酸基轉為鈉鹽、減少可參與酯化交聯基團的解釋，與材料較易吸水膨潤的表現相呼應。再搭配膨潤與溶解測試，便能比較哪些材料組成在提高吸水能力後，仍可維持凝膠結構。[3]

原料對照與交聯反應判讀

同樣來自英國貝爾法斯特女王大學藥學院的 Li 等人與合作團隊，則針對抗病毒胜肽藥物 enfuvirtide 的持續經皮傳輸開發水凝膠材料。研究以聚乙烯醇（PVA）為主體，加入聚乙烯吡咯烷酮（PVP）改善機械性質，並比較檸檬酸與雙端帶有羧酸基的聚乙二醇（PEGdiacid）兩種交聯劑。研究進一步調整 PEGdiacid 用量與加熱條件，觀察膨潤、材料保留及藥物擴散的變化。

研究使用 PerkinElmer Spectrum Two 搭配 PIKE MIRacle 鑽石 ATR 附件，比較原料與乾燥材料在加熱前後的光譜。所用 PVA 的水解程度為 87–89%，仍保留部分酯基，因此加熱前在 1713–1732 cm⁻¹ 就已有酯羰基訊號。要理解熱處理後的成網反應，需要把這些原有訊號一起納入判讀。

研究因此另外比較純原料及兩兩組合在水或磷酸鹽緩衝液中的溶解行為。這些對照迅速溶解，完整組成的材料經熱處理後則形成可膨潤、保留不溶部分的凝膠。光譜提供材料的化學特徵，溶解與材料保留結果則補上成網後的表現，共同協助判斷材料組成與加熱條件是否達到預期效果。[4]