首個(gè)基于微流體管道的非酶式可穿戴葡萄糖傳感器，可實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)糖尿病患者汗液的葡萄糖指標(biāo)

據(jù)國(guó)際糖尿病聯(lián)合會(huì)（IDF）發(fā)布的《全球糖尿病概覽（第九版）》統(tǒng)計(jì)，截至2019年，在20歲～79歲人群中，全球共有約4.63億糖尿病患者。其中，中國(guó)以1.164億糖尿病患者位居榜首，是糖尿病患者數(shù)量最多的國(guó)家。

通常，通過(guò)頻繁地指尖針刺檢測(cè)患者的血糖濃度為患者注射胰島素來(lái)降低血糖水平是最為普遍的治療方式。所以，如何準(zhǔn)確有效地檢測(cè)患者血糖水平成為控制糖尿病的關(guān)鍵。

從測(cè)量方法上來(lái)看，血糖的檢測(cè)需要利用針管收集少量血液樣本，而長(zhǎng)期的血糖監(jiān)測(cè)則需要植入針管于皮下組織進(jìn)行實(shí)時(shí)采樣，這種方式給患者帶來(lái)極大的痛苦。

人體體液（包括汗液、眼淚、口水）的葡萄糖濃度與血糖濃度呈正相關(guān)，通過(guò)測(cè)量體液葡萄糖濃度來(lái)推斷血糖濃度，可以方便、快捷地為糖尿病患者進(jìn)行監(jiān)測(cè)。

從應(yīng)用角度看，葡萄糖氧化酶被廣泛地應(yīng)用于各種葡萄糖傳感器中，但是溫度、濕度、pH值等因素會(huì)影響其活性，從而降低了酶式葡萄糖傳感器測(cè)量的準(zhǔn)確性。

近日，賓夕法尼亞州立大學(xué)（PSU）工程科學(xué)與力學(xué)系助理教授程寰宇團(tuán)隊(duì)研發(fā)出一種基于微流體管道的非酶式可穿戴葡萄糖傳感器。

該團(tuán)隊(duì)將微流芯片與非酶式葡萄糖傳感器結(jié)合，用于汗液的連續(xù)采樣以及葡萄糖濃度檢測(cè)。該研究為非酶式柔性葡萄糖傳感器在可穿戴生物醫(yī)療器件的應(yīng)用提供了新的思路。

相關(guān)論文以《用于身體測(cè)量的激光誘導(dǎo)石墨烯非酶葡萄糖傳感器》為題發(fā)表。

近年來(lái)，非酶式葡萄糖傳感器因其低價(jià)、超高靈敏度以及化學(xué)穩(wěn)定性的優(yōu)勢(shì)獲得了廣泛的關(guān)注以及研究。通過(guò)引入多孔微結(jié)構(gòu)，增加其表面積從而進(jìn)一步提高非酶式葡萄糖傳感器的靈敏度，線性響應(yīng)區(qū)間成為了該領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)。

反應(yīng)機(jī)理決定了非酶式葡萄糖傳感器通常需要在堿性環(huán)境中使用，而人類體液pH值通常在酸性或中性范圍，這極大地限制了這一類傳感器在可穿戴設(shè)備以及表皮電子中的應(yīng)用。

因此，如何將非酶式葡萄糖傳感器應(yīng)用于可穿戴設(shè)備和表皮電子進(jìn)行體液葡萄糖濃度的測(cè)量成為一個(gè)亟待解決的難題。

程寰宇團(tuán)隊(duì)通過(guò)集成微流管道和含有堿性溶液反應(yīng)腔，該非酶式葡萄糖傳感器可以實(shí)現(xiàn)對(duì)汗液的葡萄糖指標(biāo)的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。

基于激光誘導(dǎo)石墨烯（LIG）和Ni/Au化學(xué)鍍的非酶式可穿戴葡萄糖傳感器

程寰宇表示，“微流芯片用于收集皮膚毛孔分泌的汗液，預(yù)設(shè)的反應(yīng)腔中堿性溶液提供了非酶式葡萄糖傳感器所需的堿性檢測(cè)環(huán)境。并且，通過(guò)替換反應(yīng)腔中的堿性溶液，該柔性可穿戴葡萄糖傳感器可以被重復(fù)使用。

程寰宇（左）與朱佳

反應(yīng)腔內(nèi)的多孔封裝層設(shè)計(jì)在穩(wěn)定性上得到了極大提升，一方面，處于遠(yuǎn)離皮膚的傳感器之上;另一方面，即便在翻轉(zhuǎn)甚至彎曲變形中也不會(huì)泄漏液體，進(jìn)一步降低了堿性環(huán)境可能帶來(lái)的安全隱患。

此外，微流管道上的標(biāo)記可以幫助計(jì)算進(jìn)入反應(yīng)腔中的汗液體積，計(jì)算出汗液在堿性溶液中的稀釋比例，進(jìn)而保障了準(zhǔn)確測(cè)量汗液葡萄糖濃度。

“集成的pH傳感器可以實(shí)時(shí)檢測(cè)反應(yīng)腔體中的pH值，可以修正微環(huán)境pH變化帶來(lái)的影響從而進(jìn)一步提高葡萄糖濃度測(cè)量的準(zhǔn)確性?！敝旒驯硎尽?/p>

該研究歷時(shí)2年多，如何在微小的激光誘導(dǎo)石墨烯圖案上進(jìn)行金屬沉積成為研究中的“難題”。

程寰宇表示，我們首先嘗試了電子束沉積和電鍍等方法，最終發(fā)現(xiàn)，可低成本、大規(guī)模生產(chǎn)的電化學(xué)電鍍是最為有效的方法?！耙?yàn)槠胀ǖ碾婂兒茈y在3D多孔不平整表面的激光誘導(dǎo)石墨烯泡沫上完成，所以我們使用了無(wú)電極電化學(xué)電鍍來(lái)完成鎳和金的集成?！?/p>

并且，由于激光誘導(dǎo)石墨烯固有的多孔骨架結(jié)構(gòu)，該方法制備的柔性葡萄糖傳感器具有較寬的線性響應(yīng)區(qū)間，適用于汗液以及血液中葡萄糖濃度的測(cè)量。

激光誘導(dǎo)石墨烯具有精細(xì)的多孔結(jié)構(gòu)和超高的比表面，是極佳的柔性電化學(xué)傳感器基底。柔性非酶式葡萄糖傳感器通過(guò)在激光誘導(dǎo)石墨烯上進(jìn)行簡(jiǎn)單的鎳和金的化學(xué)電鍍即可完成。

程寰宇指出，“彎曲變形對(duì)該柔性葡萄糖傳感器的測(cè)量結(jié)果幾乎沒(méi)有影響，且其在彎曲變形疲勞測(cè)試后依然能提供準(zhǔn)確地輸出。”

該論文共同通訊作者朱佳認(rèn)為，研究過(guò)程中最困擾的問(wèn)題是如何突破堿性環(huán)境測(cè)量的約束，以將非酶式葡萄糖傳感器應(yīng)用于可穿戴汗液葡萄糖檢測(cè)。

在經(jīng)過(guò)多種嘗試后，他們發(fā)現(xiàn)，可以通過(guò)集成微流控芯片以及多孔封裝層堿性反應(yīng)腔來(lái)實(shí)現(xiàn)一體化汗液收集和汗液葡萄糖檢測(cè)。

變形下的基于LIG的柔性葡萄糖傳感器或體內(nèi)封裝的葡萄糖傳感器的演示

非酶式可穿戴葡萄糖傳感器的初步探索為將來(lái)基于激光誘導(dǎo)石墨烯泡沫電極的其他多種生物化學(xué)信號(hào)的無(wú)創(chuàng)測(cè)量產(chǎn)業(yè)化提供了新的思路。

除了葡萄糖的檢測(cè)，該檢測(cè)平臺(tái)還可以應(yīng)用在其他生物液體監(jiān)測(cè)。例如，實(shí)現(xiàn)生物液體（汗液、組織液、唾液、淚液等）中多種生物標(biāo)記物的無(wú)創(chuàng)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，用以評(píng)估健康狀況和早期診斷多種疾病。

談及對(duì)該技術(shù)的未來(lái)期待，程寰宇表示，“因?yàn)檫@傳感器平臺(tái)基于低成本、易大規(guī)模生產(chǎn)的工藝，我們非常期待與合適的企業(yè)或平臺(tái)合作迅速推進(jìn)產(chǎn)業(yè)化，希望在未來(lái)幾年讓消費(fèi)者放心使用?！?/p>

下一步，該團(tuán)隊(duì)將針對(duì)非酶式可穿戴葡萄糖傳感器，進(jìn)一步探索不同的沉積金屬和它們的異質(zhì)結(jié)構(gòu)，以降低傳感器對(duì)堿性pH環(huán)境的依賴，使其能在中性環(huán)境中工作（或者直接在傳感電極上直接產(chǎn)生所需pH的微環(huán)境），同時(shí)也提高非酶式葡萄糖傳感器的使用壽命。

“與此同時(shí)，我們將進(jìn)一步在葡萄糖檢測(cè)以外，積極開(kāi)拓基于激光誘導(dǎo)石墨烯泡沫電極的其他多種生物化學(xué)信號(hào)的傳感器。爭(zhēng)取早日在無(wú)創(chuàng)、連續(xù)、實(shí)時(shí)測(cè)量多種癌癥、創(chuàng)傷性腦損傷和包括COVID在內(nèi)的多種傳感疾病等多方面取得成果?！敝旒驯硎?。（綜合整理報(bào)道）（編輯/費(fèi)勒萌）