基于熒光的生物可降解微針傳感器陣列用于連續(xù)血糖監(jiān)測(cè)

連續(xù)血糖監(jiān)測(cè)（CGM）在實(shí)時(shí)跟蹤血糖水平中發(fā)揮著至關(guān)重要的作用，并且可以為有效預(yù)防低血糖或高血糖發(fā)作引起的糖尿病并發(fā)癥提供關(guān)鍵信息。然而，盡管商用連續(xù)血糖監(jiān)測(cè)裝置已經(jīng)取得了相當(dāng)大的進(jìn)展，但仍然迫切需要開(kāi)發(fā)用戶友好、微創(chuàng)的連續(xù)血糖監(jiān)測(cè)裝置。微針型裝置具有監(jiān)測(cè)體內(nèi)葡萄糖水平的潛力，并且其輕薄和小尺寸的特點(diǎn)使得其具有最小的侵入性。此外，與傳統(tǒng)的皮膚貼附式可穿戴裝置不同，包含微型針頭的裝置可以固定在皮膚上，因此，它們運(yùn)行穩(wěn)定，不會(huì)在活動(dòng)中脫落。

據(jù)麥姆斯咨詢報(bào)道，為了克服以前所開(kāi)發(fā)的連續(xù)血糖監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的局限性，來(lái)自韓國(guó)延世大學(xué)（Yonsei University）的研究人員提出了一種基于熒光的微創(chuàng)生物可吸收微針傳感陣列。該微針葡萄糖傳感器結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，由兩層組成：一層是絲制的微針層，該微針層含有葡萄糖響應(yīng)熒光單體，可以根據(jù)血糖水平發(fā)出熒光；另一層為聚乙烯醇（PVA）背封層，用于固定針頭并便于插入皮膚。含有熒光物質(zhì)的微針傳感器的熒光強(qiáng)度可以根據(jù)組織液中的葡萄糖濃度而變化，也就是說(shuō)，該微針傳感器在低血糖水平時(shí)表現(xiàn)出低熒光強(qiáng)度，在高血糖水平時(shí)表現(xiàn)出高熒光強(qiáng)度。相關(guān)研究成果近期以“Fluorescent-based biodegradable microneedle sensor array for tether-freecontinuous glucose monitoring with smartphone application”為題發(fā)表在Science Advances期刊上。

圖1 用于連續(xù)血糖監(jiān)測(cè)（CGM）的生物可降解微針陣列傳感器

如圖1所示，雖然用于連續(xù)血糖監(jiān)測(cè)的生物可降解微針傳感器的工作方法和原理非常簡(jiǎn)單直觀，但它是一個(gè)功能強(qiáng)大的系統(tǒng)。利用該微針傳感器，用戶可以在不需要外部無(wú)線通信設(shè)備或連接線的情況下，隨時(shí)隨地監(jiān)測(cè)血糖水平。此外，該基于微針陣列的血糖監(jiān)測(cè)傳感器在使用后可以完全溶解并從體內(nèi)消失，從而無(wú)需額外的手術(shù)。同時(shí)，其生物相容性和生物可降解的特點(diǎn)使其可以應(yīng)用于胰島素等藥物裝載和藥物輸送，也可以用于血糖監(jiān)測(cè)，具有很高的研究和臨床價(jià)值。

為了證實(shí)生物可降解的微針血糖傳感器可以連續(xù)測(cè)量活體組織中的血糖水平，研究人員用小鼠進(jìn)行了體內(nèi)實(shí)驗(yàn)。研究結(jié)果顯示，在所有的實(shí)驗(yàn)中，生物可降解的微針血糖傳感器皆成功地監(jiān)測(cè)了小鼠的血糖水平。此外，該微針血糖傳感器不僅可以應(yīng)用于實(shí)驗(yàn)室中的小鼠，還可以通過(guò)定制模具來(lái)調(diào)整微針的大小、長(zhǎng)度和陣列數(shù)量，從而應(yīng)用于人體。并且，使用者在使用生物可降解的微針血糖傳感器期間和之后都可以自由活動(dòng)，使用后也可以正常生活，沒(méi)有任何副作用。

圖2 利用生物可降解微針傳感器進(jìn)行體內(nèi)連續(xù)血糖監(jiān)測(cè)（CGM）

最后，為了證明該生物可降解微針傳感裝置在日常生活中的實(shí)際可用性，研究人員開(kāi)發(fā)了一款用戶友好的家庭診斷系統(tǒng)。該系統(tǒng)使用生物可降解的微針傳感器和智能手機(jī)，使連續(xù)血糖監(jiān)測(cè)系統(tǒng)處于可自由移動(dòng)狀態(tài)?？蛇B接到智能手機(jī)攝像頭的外部附屬設(shè)備提供了一個(gè)405 nm波長(zhǎng)的發(fā)光二極管（LED）陣列作為光源，用于激活葡萄糖響應(yīng)熒光單體的熒光，以及一個(gè)450 nm波長(zhǎng)的光學(xué)長(zhǎng)通濾光片，用于去除可能被攝像頭鏡頭接收的不需要的405 nm波長(zhǎng)的光。此外，定制開(kāi)發(fā)的智能手機(jī)應(yīng)用程序（App）允許用戶直觀地操作各種功能，例如拍照、裁剪圖像、分析圖像數(shù)據(jù)以測(cè)量血糖水平，并繪制測(cè)量數(shù)據(jù)，以便他們可以輕松識(shí)別自己的狀態(tài)。

由于熒光數(shù)據(jù)會(huì)受到各種因素的影響，例如手機(jī)攝像頭角度或攝像頭與微針傳感器之間的距離，因此需要將數(shù)據(jù)變異性最小化。為了解決這個(gè)問(wèn)題，用戶可以通過(guò)從不同角度重復(fù)測(cè)量來(lái)校準(zhǔn)熒光圖像數(shù)據(jù)。通過(guò)對(duì)多個(gè)角度的圖像數(shù)據(jù)進(jìn)行平均，可以減少數(shù)據(jù)的波動(dòng)性，進(jìn)而提高數(shù)據(jù)可靠性。如圖3C所示，經(jīng)驗(yàn)證，該家庭診斷系統(tǒng)重復(fù)測(cè)量的校準(zhǔn)數(shù)據(jù)（四次）可以實(shí)現(xiàn)以15至20分鐘的時(shí)間延遲來(lái)有效跟蹤血糖水平。

圖3 操作人性化的家庭診斷系統(tǒng)

綜上所述，研究人員開(kāi)發(fā)的基于生物可降解微針傳感器的突破性血糖監(jiān)測(cè)系統(tǒng)克服了以往測(cè)量方法的缺點(diǎn)，例如不舒適、疼痛、創(chuàng)傷、依賴手術(shù)、成本高、過(guò)程復(fù)雜、無(wú)法進(jìn)行連續(xù)血糖監(jiān)測(cè)以及使用時(shí)間短等。因此，本研究開(kāi)發(fā)的系統(tǒng)可以完全取代傳統(tǒng)的血糖監(jiān)測(cè)方法，使糖尿病患者可以方便、準(zhǔn)確地預(yù)防低血糖或高血糖以及由此引發(fā)的其它并發(fā)癥。此外，該研究開(kāi)發(fā)的生物可降解微針陣列裝置可以裝載胰島素等藥物。因此，其很有可能擴(kuò)展為下一代融合生物系統(tǒng)，從而同時(shí)實(shí)現(xiàn)葡萄糖相關(guān)疾病的監(jiān)測(cè)和治療。

審核編輯：劉清