Bioinspired Rotation Microneedles for Accurate Transdermal Positioning and Ultraminimal-Invasive Biomarker Detection with Mechanical Robustness

透皮 材料科学 生物医学工程 渗透(战争) 医学 数学 药理学 运筹学
作者
Yilin Cai,Shiyi Huang,Zhinan Zhang,Jiazheng Zhang,Xingyue Zhu,Xiaoxiang Chen,Xianting Ding
出处
期刊:Research [American Association for the Advancement of Science]
卷期号:2022 被引量:16
标识
DOI:10.34133/2022/9869734
摘要

Microneedle permits transdermal biosensing and drug delivery with minor pain. However, accurate microneedle transdermal positioning with minimal skin deformation remains a significant technical challenge due to inhomogeneous skin topology and discontinuous force applied to the microneedle. Here, we introduce bioinspired rotation microneedles for in vivo accurate microneedle positioning as inspired by honeybees' stingers. We demonstrate the benefits of rotation microneedles in alleviating skin resistance through finite element analysis, full-thickness porcine validations, and mathematical derivations of microneedle-skin interaction stress fields. The max penetration force was mitigated by up to 45.7% and the force attenuation rate increased to 2.73 times in the holding stage after penetration. A decrease in max skin deflection and a faster deformation recovery introduced by rotation microneedles implied a more precise penetration depth. Furthermore, we applied the rotation microneedles in psoriasis mice, a monogenic disorder animal model, for minimally invasive biological sample extraction and proinflammatory cytokine monitoring. An ultrasensitive detection method is realized by using only one microneedle to achieve cytokine mRNA level determination compared to commonly required biopsies or blood collection. Thus, rotation microneedles permit a simple, rapid, and ultraminimal-invasive method for subcutaneous trace biological sample acquisition and subsequent point-of-care diagnostics with minimal damage to both microneedles and skins.
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