天津大学栗大超《Science》子刊：糖尿病患者福音！可穿戴式血糖精确监测装置！
原创 高分子科学前沿 高分子科学前沿 今天
当今社会，很多人都饱受糖尿病的困扰，而不停地进行血糖检测也难免影响人们的正常生活。若能实现对血糖的持续监测，实时得到重要的血糖变化信息，那将对糖尿病的诊断和治疗具有重大意义。目前，持续血糖监测可通过植入式传感器来测量间隙液（ISF）中的葡萄糖浓度。然而，人体内固有的生物电容易引起传感器的信号漂移，从而显著影响测量精度，这使得植入式产品难以在诊所中广泛推广。如今，新兴的可穿戴柔性电子产品为体外葡萄糖监测带来了新机遇，有望实现大规模的临床推广。
天津大学栗大超教授等人提出了一种柔性电子表皮生物微流体技术，实现了血糖的连续监测，从而满足了糖尿病的临床诊断和治疗需求。作者提出了一种热活化方法、一种精确的原位葡萄糖测量方法和一种差分校正方法，以解决检测不准确的问题。此外，该生物微流体装置的制造完全采用喷墨印刷技术，包括柔性电极的形成、纳米材料的原位改性以及酶分子的固定。完整的印刷工艺使得该装置生产方便、制造成本低，有利于实际应用中的大规模生产。该研究以题为“A thermal activated and differential self-calibrated flexible epidermal biomicrofluidic device for wearable accurate blood glucose monitoring”的论文发表在《Science Advances》上。如图1A所示，该装置可以紧密地贴在皮肤表面，以获取有关血糖浓度变化的信息。该柔性器件可随着皮肤运动而变形，从而避免因设备与皮肤之间的相对运动而造成ISF 提取的不连续性。该装置由温度控制组分和葡萄糖检测片两部分组成（图1B）。其用于持续血糖监测的工作机制如图1F：首先，温度控制组分对皮肤进行局部加热，进行热活化，从而提高ISF的提取效率。其次，通过皮肤内的离子传输微通道从皮下组织进行ISF提取。然后，使用柔性电化学葡萄糖传感器检测原位提取的 ISF（阴极）中的葡萄糖浓度，并使用差分Na离子传感器检测阴极和阳极中的Na离子浓度。最后，根据校正模型获得校正血糖浓度。作者设计了一个基于双电极的电化学葡萄糖传感器以实现原位测量（图3A），从而提高检测精度。由于提取的葡萄糖分子量小且难以准确检测，作者使用石墨烯和铂纳米粒子在工作电极表面构建了三维纳米结构，以提高传感器的性能，从而实现低葡萄糖浓度的检测。修饰上纳米材料后，传感器的灵敏度提高了10.74倍。图 3K显示了传感器使用0 V与参比电极的应用电位对葡萄糖连续增量的典型安培响应。结果表明，该传感器得到的葡萄糖测量线性范围为0至400 mg/dl，检测限制为 0.52 mg/dl（S/N = 3）。因此，该柔性电化学葡萄糖传感器能准确检测生理范围内的葡萄糖浓度，同时展现出了低血糖检测的潜力。由于个体差异和汗水会对血糖检测造成影响，作者设计了一种差分Na离子传感器（图 4A），以消除汗水和个体差异的影响。根据ISF中Na离子浓度的微小变化，该校正模型能消除由提取的ISF量引起的个体差异影响，并通过Na离子的差分测量消除了汗水的影响。最后，作者进行了体内葡萄糖监测实验。该使用差分Na离子校正的表皮生物微流体装置和商业血糖仪的测量结果非常符合（图4F）。然而，没有差分校正的结果显示出很大的差异（图4G）。结果表明，所提出的表皮生物微流体装置能够准确地预测生理范围内的血糖浓度，并且通过差分Na离子校正，可以成功消除个体差异和汗液对检测结果的影响。总结：作者提出了一种柔性电子表皮生物微流体技术，使得血糖能够被连续监测，克服了目前可穿戴设备不可靠测量的缺陷。此外，作者为连续血糖监测制造了一种集成的柔性表皮生物微流体装置。该装置完全采用喷墨印刷技术制造，能够以低成本进行大规模生产，从而有利于实际应用。体内实验结果证实，该技术和设备具有持续监测血糖的巨大潜力，有望实现大规模的临床推广。https://advances.sciencemag.org/content/7/5/eabd0199声明：仅代表作者个人观点，作者水平有限，如有不科学之处，请在下方留言指正！
高分子科学前沿
喜欢作者
