无需针头——首款可穿戴无创汗液血糖监测设备

宾夕法尼亚州立大学的研究人员开发了首款可穿戴的、无创的血糖监测设备原型。

　　

无创血糖监测设备目前在美国还没有上市，因此糖尿病患者必须采集血液样本或使用植入皮肤下的传感器来测量血糖水平。现在，宾夕法尼亚州立大学的研究人员发明了一种新的可穿戴设备，侵入性更小的血糖监测可能会成为常态。

在宾夕法尼亚州立大学工程科学与力学专业Dorothy Quiggle职业发展教授Huanyu“Larry”Cheng的带领下，研究人员公布了一种非侵入性、低成本的传感器的细节，这种传感器可以在生物传感器和生物电子学中检测出汗液中的葡萄糖。这篇论文现在可以在网上找到，将发表在该杂志12月的印刷版上。

研究人员首先用激光诱导石墨烯(LIG)构建了这个装置，LIG是一种由不同形状的原子厚碳层组成的材料。LIG具有高导电性和仅几秒钟的制作时间，似乎是传感设备的理想框架——但有一个重要的警告。

“这里的挑战是LIG对葡萄糖完全不敏感，”Cheng说。“所以，我们需要在LIG上沉积葡萄糖敏感物质。”

据Cheng说，研究小组选择镍是因为镍对葡萄糖的敏感性很强，并将镍与黄金结合起来以降低过敏反应的潜在风险。研究人员假设，配备镍金合金的LIG能够检测到皮肤表面汗液中的低浓度葡萄糖。

无创血糖监测设备目前在美国还没有上市，因此糖尿病患者必须采集血液样本或使用植入皮肤下的传感器来测量血糖水平。现在，宾夕法尼亚州立大学的研究人员发明了一种新的可穿戴设备，侵入性更小的血糖监测可能会成为常态。

优先考虑高葡萄糖敏感性的材料。与血液相比，汗液中的葡萄糖浓度明显较低，但据Cheng说，汗液和血液中的葡萄糖浓度之间有很强的相关性。虽然汗液中的葡萄糖浓度比血液中的葡萄糖浓度低100倍左右，但该团队的设备足够敏感，可以准确测量汗液中的葡萄糖，并反映血液中的葡萄糖浓度。

这种镍-金合金的敏感性使得Cheng的团队可以排除通常被用于更有侵入性的、商业可用的设备或其他研究人员提出的非侵入性监测器中测量葡萄糖的酶，这些酶通常会随着时间和温度的变化而迅速降解。

“酶传感器必须保持在一定的温度和pH值，酶不能长期储存，”Cheng说。“另一方面，无论这些变化如何，非酶葡萄糖传感器都具有稳定的性能和葡萄糖敏感性。”

非酶传感器需要碱性溶液，这可能会损害皮肤，限制设备的可穿戴性。为了解决这个问题，Cheng和他的团队在LIG合金上安装了一个微流控室。这种腔室比以前开发的配置更小，以提高耐磨性和多孔性，允许一系列的运动，如拉伸或挤压。它连接一个收集入口，将汗水输送到溶液中，而不让溶液接触皮肤。基本溶液与葡萄糖分子相互作用，产生一种与合金反应的化合物。这个反应会触发一个电信号，显示出汗液中葡萄糖的浓度。

Cheng说，由于采用了更小的碱性溶液腔，整个设备大约只有四分之一大小，而且足够灵活，可以与人体安全连接。

在一项概念验证测试中，研究人员使用了一种皮肤安全粘合剂，在饭后一小时和三小时将这个可重复使用的设备安装在人的手臂上。在每次测量时间之前，受试者都进行了一次简短的运动，仅够出汗。该装置的葡萄糖测量值通过商业可用的葡萄糖监测器进行了验证。

Cheng和团队计划改进他们的原型，用于未来的应用，包括解决患者或临床医生如何使用传感器进行增量血糖测量或持续监测，以确定治疗行动，如胰岛素的管理。他们还打算完善和扩展这个平台，以便更舒适地监测其他生物标志物，这些生物标志物可以在人体细胞间的汗液或间质液中发现。

“我们希望与医生和其他医疗服务提供者合作，看看我们如何将这项技术应用于患者的日常监测，”Cheng说。“这种葡萄糖传感器是一个基础性的例子，表明我们可以提高对极低浓度汗液中的生物标志物的检测。”

“Laser-induced graphene non-enzymatic glucose sensors for on-body measurements” by Jia Zhu, Shangbin Liu, Zhihui Hu, Xianzhe Zhang, Ning Yi, Kairui Tang, Michael Gregory Dexheimer, Xiaojun Lian, Qing Wang, Jian Yang, Jennifer Gray and Huanyu Cheng, 1 September 2021, Biosensors and Bioelectronics.
DOI: 10.1016/j.bios.2021.113606