纳米材料MEMS技术的生物医学革新：诊疗精准化与健康管理的未来趋势

医学科学的进步

过去二十多年间，微米和纳米尺度上的生物学、生物医学与制造技术的交叉研究取得了显著进展。基于纳米材料的微机电系统（MEMS）在生物医学领域展现出广阔应用前景，涵盖药物输送系统、细胞操作（如分选分离技术与细胞模式化）以及即时检测（如手术传感器、组织工程植入式传感器和快速家用监测设备）等领域。图2展示了基于纳米材料的MEMS器件在临床中的发展趋势。

未来生物医学设备的发展方向与纳米材料MEMS的当前趋势紧密相关（见图3）。以下从疾病诊断、药物输送、植入式设备和无线连接四个方面展开讨论。

3.1 疾病诊断

亚微米级MEMS技术的发展催生了微型化、用户友好的诊断设备（如生物传感器或片上生物传感器）。这些设备能够实现多分析物检测，具有高灵敏度、准确性、特异性和精密度，同时解决了传统诊断方法耗时长、样本需求大、易污染等问题。片上生物传感器将样品分析全流程（注射、混合、反应、分离、富集与检测）集成于单一单元，进一步提升了效率。

BioMEMS技术还可用于可穿戴或植入式设备，持续监测代谢过程、电脉冲、眼内压、主动脉压及血氧水平等生理指标。在COVID-19诊断中，BioMEMS技术的快速检测能力弥补了传统PCR方法耗时长、样本量不足导致假阴性率高的缺陷，为应对流行病提供了关键技术支持。

图2.基于纳米材料的MEMS器件发展趋势及临床应用。

图3.疾病诊断中生物医学领域的种类。

3.2 药物输送系统

药物输送技术通过精准控制剂量与释放模式，为慢性病和急症治疗提供了新方案。MEMS技术通过微流控芯片与微泵系统实现了药物输送的小型化、功能集成和机电控制。例如，第三代微针技术结合智能触发装置，可无痛透皮递送RNA和疫苗，显著提高了药物靶向性。微泵技术通过调节释放速率与输注量，主动控制药物释放，并配合储液器实现持续供药。图4展示了基于纳米材料的MEMS器件在药物输送领域的临床应用趋势。

图4.基于纳米材料的MEMS器件发展趋势及临床应用。

3.3 植入式设备

新型生物相容性材料和柔性电子技术的发展推动了可植入传感器的进步。植入式生物传感器可实时监测生理参数（如血压、代谢物水平及神经电信号），直接干预疾病管理。例如，微型血压传感器可连续监测高血压患者状态，指导精准治疗。然而，植入设备需解决生物污垢和异物排斥反应（FBR）问题，其尺寸、材料、表面特性及封装技术均可能影响长期稳定性。图5展示了可植入生物电子器件作为下一代医疗技术的应用场景。

3.4 无线连接

无线可拉伸生物传感器贴片可长期监测心电图、血压及体温等生理信号，结合物联网（IoMT）技术实现健康数据的远程管理。通过蓝牙连接智能手机或云端平台，用户可实时查看健康数据，医生可远程分析风险并制定干预策略。图6展示了集成MEMS的无线生物传感器系统，其通过移动网关与医疗数据库互联，支持智能诊断与健康预警。

图6.基于MEMS的无线连接生物传感器。

以上文章来源：https://doi.org/10.1016/j.rineng.2024.102115，如有侵权请及时联系。