基于金屬納米材料的可穿戴無創(chuàng)葡萄糖傳感器研究進(jìn)展

可穿戴無創(chuàng)葡萄糖傳感器的發(fā)展，為糖尿病患者體內(nèi)葡萄糖濃度監(jiān)測(cè)提供了一種便捷且免于不適感和感染風(fēng)險(xiǎn)的技術(shù)手段。除了典型的酶之外，葡萄糖傳感器的活性催化材料主要由聚合物、金屬、合金、金屬化合物等能與葡萄糖發(fā)生催化氧化作用的物質(zhì)組成。其中，金屬納米材料具有生物相容性好、比表面積大、催化活性高、吸附能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，是應(yīng)用于可穿戴無創(chuàng)葡萄糖傳感領(lǐng)域的最佳材料。

據(jù)麥姆斯咨詢報(bào)道，近期，浙江大學(xué)以及寧波諾丁漢大學(xué)的研究人員在Materials Today Bio期刊上共同發(fā)表了題為“Wearable non-invasive glucose sensors based on metallic nanomaterials”的綜述文章，總結(jié)了用于可穿戴無創(chuàng)葡萄糖傳感器的金屬納米材料（包括零維（0D）、一維（1D）、二維（2D）單金屬納米材料、雙金屬納米材料、金屬氧化物納米材料等），以及基于這些金屬納米材料的可穿戴無創(chuàng)生物傳感器在葡萄糖檢測(cè)中的應(yīng)用，并展望了基于金屬納米材料的可穿戴無創(chuàng)生物傳感器的發(fā)展趨勢(shì)。

具體而言，單金屬納米材料具有電阻低、催化性能優(yōu)異、檢測(cè)靈敏度高等優(yōu)點(diǎn)。此外，優(yōu)異的生物相容性和強(qiáng)導(dǎo)電性使其具有出色的電催化能力，這是可穿戴無創(chuàng)葡萄糖傳感器基礎(chǔ)材料的突出特性。

其中，貴金屬納米顆粒具有較高的比表面積和活性，目前已成為應(yīng)用于可穿戴無創(chuàng)葡萄糖傳感器的最常見的納米材料。尤其是金納米顆粒（AuNPs），在研究實(shí)踐中獲得了廣泛的應(yīng)用。例如，Wang等人提出了一種基于金納米顆粒的表皮傳感器來檢測(cè)汗液中的葡萄糖水平。通過將葡萄糖傳感器附著在頸部采集汗液，可實(shí)現(xiàn)低檢測(cè)限（LOD）（1.68 × 10?? M），寬檢測(cè)范圍（10?? M ~ 10?3 M）（圖1（i））。

此外，由于該傳感器采用三維周期性多孔腔內(nèi)顆粒結(jié)構(gòu)和特定材料，因此傳感器具有良好的穩(wěn)定性、靈敏度和優(yōu)異的力學(xué)性能。在類似的一項(xiàng)研究中，研究人員將金納米顆粒嵌入到聚對(duì)苯二甲酸乙二醇酯（PET）襯底中，以制造可穿戴無創(chuàng)貼片，并通過紫外介導(dǎo)化學(xué)鍍技術(shù)構(gòu)建金納米顆粒PET工作電極（圖1（ii））?；谠撾姌O的葡萄糖傳感器具有超低檢測(cè)限（2.7 μM）、寬傳感范圍（0.02 mM ~ 1.11 mM）、高靈敏度（22.05 μA/mM/cm2）等特點(diǎn)。

圖1 零維（0D）單金屬納米材料在可穿戴無創(chuàng)葡萄糖傳感器中的應(yīng)用

除納米顆粒外，一維貴金屬納米材料如納米管、納米線、納米帶、納米針等在可穿戴無創(chuàng)葡萄糖傳感器中也發(fā)揮著重要作用。在一維金屬納米材料中，由于具有優(yōu)異的催化和導(dǎo)電性能，一維金和銀是最理想的納米材料。例如，Zhai等人在研究中制作了一種基于金納米線的可穿戴柔性生物傳感器。首先，可拉伸電極由修飾有蘑菇狀金納米顆粒的金納米線構(gòu)成。隨后，用葡萄糖氧化酶和普魯士藍(lán)納米顆粒修飾電極，以實(shí)現(xiàn)葡萄糖濃度水平的傳感。獨(dú)特的高度可拉伸結(jié)構(gòu)和優(yōu)異的材料使該生物傳感器具有低檢測(cè)限（10 μM）和高靈敏度（23.72 μA/mM/cm2）的特點(diǎn)。同時(shí)，即使在30%的應(yīng)變條件下，該傳感器對(duì)人工汗液中葡萄糖濃度的檢測(cè)靈敏度也可以達(dá)到4.55 μA/mM/cm2（圖2（i））。

圖2 一維（1D）單金屬納米材料在可穿戴無創(chuàng)葡萄糖傳感器中的應(yīng)用

除了汗液，淚液也是一類容易收集的生物體液。因此，具有淚液采集和葡萄糖監(jiān)測(cè)功能的智能隱形眼鏡近年來成為廣泛流行的可穿戴即時(shí)診斷（POCT）葡萄糖檢測(cè)裝置。Kim等人制作了一種可穿戴智能隱形眼鏡，用于無線監(jiān)測(cè)葡萄糖濃度和血壓。與之前使用傳統(tǒng)不透明材料制作的隱形眼鏡傳感器相比，該傳感器是基于石墨烯-銀納米線（AgNW）混合結(jié)構(gòu)的無創(chuàng)傳感器（圖2（v））。這種獨(dú)特結(jié)構(gòu)的應(yīng)用以犧牲透明度為代價(jià)提高了傳感器的電學(xué)和機(jī)械性能。此外，這種混合結(jié)構(gòu)的跨電導(dǎo)率可以忽略不計(jì)，這使得它可以用作構(gòu)建無源電子元件的電極。總而言之，該傳感器可以用于監(jiān)測(cè)與疾病相關(guān)的生物標(biāo)志物，從而評(píng)估人體眼部和整體健康狀況。因此，這種多路復(fù)用的隱形眼鏡為下一代眼部診斷裝置的發(fā)展帶來了巨大的希望。

二維納米材料具有較大的比表面積，常被用作金屬納米顆粒的載體。例如，Oh等人制作了一種基于金納米片的可附著于皮膚的柔性無創(chuàng)葡萄糖傳感器，用于檢測(cè)汗液中的葡萄糖。首先，研究人員在聚二甲基硅氧烷（PDMS）襯底上制備了可拉伸金電極。接著，研究人員采用一種逐層沉積的方法，將碳納米管（CNT）沉積在可拉伸襯底上利用過濾法制備的圖案化金納米片上。隨后，將鎢酸鈷（CoWO?）/碳納米管和聚苯胺/碳納米管納米復(fù)合材料涂覆在碳納米管/金納米片電極上，以此提高傳感性能。同時(shí)，用氯化法制備了參比電極。最后，將可拉伸傳感器用粘性硅膠封裝，形成可附著于皮膚的汗液傳感器（圖3（i））。研究結(jié)果顯示，該傳感器具有很高的性能，靈敏度達(dá)10.89 μA/mM/cm2，并且具有出色的機(jī)械穩(wěn)定性和空氣穩(wěn)定性。此外，Khoshroo等人制作了一種基于銀納米片的可穿戴柔性生物傳感器，用于檢測(cè)葡萄糖（圖3（ii））。由于銀納米片具有較大的電活性表面積，該傳感器具有良好的電催化性能，線性范圍為3 μM ~ 3.3 mM，靈敏度為4610 μA/mM/cm2，檢測(cè)限低至1.1 μM（S/N = 3）。

圖3 二維（2D）單金屬納米材料在可穿戴無創(chuàng)葡萄糖傳感器中的應(yīng)用

與單金屬納米顆粒相比，雙金屬納米顆粒具有結(jié)構(gòu)易于調(diào)整和傳感性能更好的優(yōu)點(diǎn)。在納米尺度上，調(diào)整雙金屬催化材料的合成具有重要意義。通過改變雙金屬材料的尺寸、組成和微觀結(jié)構(gòu)，研究人員可以探索不同參數(shù)下雙金屬催化材料的性能。此外，在雙金屬納米材料的制備過程中，用低價(jià)金屬納米顆粒取代貴金屬納米顆粒，在保證高催化活性的同時(shí)可以有效節(jié)約貴金屬資源，降低制備成本。

圖4 雙金屬納米材料在可穿戴無創(chuàng)葡萄糖傳感器中的應(yīng)用

除了單金屬和雙金屬外，以某些金屬氧化物為代表的過渡金屬化合物納米材料也被廣泛用于構(gòu)建非酶葡萄糖傳感器。銅及其化合物在葡萄糖檢測(cè)中具有較寬的線性范圍，是制造葡萄糖傳感器的理想材料。此外，氧化鋅是在非酶葡萄糖傳感器中應(yīng)用最廣泛的金屬氧化物之一。當(dāng)一種金屬與其他金屬或納米材料復(fù)合時(shí)，復(fù)合氧化物納米材料表現(xiàn)出粒度小、活性位點(diǎn)分布均勻、比表面積大、穩(wěn)定性好等更優(yōu)越的性能。因此，復(fù)合氧化物納米材料是應(yīng)用于可穿戴葡萄糖傳感器的熱門材料。

綜上所述，在未來，相信與有創(chuàng)葡萄糖檢測(cè)方法相比，無創(chuàng)葡萄糖檢測(cè)方法因其帶來的不適感和被感染的風(fēng)險(xiǎn)更小，將成為葡萄糖檢測(cè)方法的主流。此外，在用于可穿戴無創(chuàng)葡萄糖傳感器檢測(cè)的生物體液中，汗液是最有前途的。這是因?yàn)槠つw是人體最大的有機(jī)體，因此汗液的收集是所有生物體液中最容易的，并且可以方便地將各種可穿戴的汗液收集設(shè)備佩戴在身上。但糖尿病患者多為老年人，代謝率低，汗液分泌量少。因此，基于金屬納米材料的可穿戴無創(chuàng)葡萄糖傳感器對(duì)唾液中的葡萄糖水平進(jìn)行連續(xù)監(jiān)測(cè)也是一個(gè)有吸引力的研究領(lǐng)域。

此外，更靈敏、高效的電極材料將被開發(fā)并應(yīng)用于可穿戴無創(chuàng)葡萄糖傳感器。將不同的金屬納米材料結(jié)合在一起，形成具有特定納米結(jié)構(gòu)的雙金屬或多金屬納米材料，這些納米材料具有更低的成本和更高的葡萄糖傳感性能。此外，可以開發(fā)具有高柔韌性、可變形性和導(dǎo)電性的襯底材料來負(fù)載金屬納米材料并形成特定的納米結(jié)構(gòu)，從而顯著提高金屬納米材料的傳感性能。同時(shí)，葡萄糖傳感器可以向小型化方向發(fā)展，并與云技術(shù)相結(jié)合，實(shí)時(shí)向臨床機(jī)構(gòu)傳輸患者的葡萄糖檢測(cè)信息。因此，基于金屬納米材料的可穿戴無創(chuàng)葡萄糖傳感器可以幫助患者及時(shí)獲得治療建議，以幫助糖尿病患者進(jìn)行無痛糖尿病管理。此外，結(jié)合微流控技術(shù)，采用基于金屬納米材料的可穿戴無創(chuàng)葡萄糖傳感器，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)糖尿病患者葡萄糖水平的連續(xù)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。除了監(jiān)測(cè)血糖水平外，可穿戴無創(chuàng)生物傳感器還可以通過使用其他電極活性材料來檢測(cè)其他生命體征。相信在不久的將來，科研人員將逐步豐富無創(chuàng)、可穿戴個(gè)性化傳感器的種類，用于監(jiān)測(cè)更多的生物標(biāo)志物，并服務(wù)于醫(yī)務(wù)人員和科研人員，以實(shí)現(xiàn)對(duì)疾病的治療和研究。





審核編輯：劉清