基于自修復(fù)水凝膠的摩擦電生物傳感器，可監(jiān)測汗液葡萄糖水平

隨著醫(yī)療技術(shù)的進步，智能醫(yī)療領(lǐng)域的突破使實時患者數(shù)據(jù)的收集和主動診斷成為可能醫(yī)療技術(shù)的進步。因為葡萄糖是細胞重要的能量來源，所以監(jiān)測葡萄糖指標(biāo)的穩(wěn)定對于最大程度減少糖尿病相關(guān)問題至關(guān)重要。然而，盡管市售的葡萄糖監(jiān)測設(shè)備種類繁多，但重復(fù)血液測試帶來的痛苦和復(fù)雜的電力需求仍是監(jiān)測設(shè)備存在的缺點。

為了解決這些缺點，Min-Hsin Yeh與團隊提出了基于自修復(fù)水凝膠的摩擦電生物傳感器（GAH-TES）。在葡萄糖存在的情況下，動態(tài)水凝膠網(wǎng)絡(luò)的調(diào)制導(dǎo)致電導(dǎo)率變化從而提高電性能。再引入摩擦生電納米發(fā)電機（TENG），實現(xiàn)通過人體排汗的汗液實時監(jiān)測高血糖水平，從而實時監(jiān)測糖尿病。相關(guān)研究成果以“Enabling glucose adaptive self-healing hydrogel based triboelectric biosensor for tracking a human perspiration”為題發(fā)表在Nano Energy期刊上。

基于自修復(fù)水凝膠的摩擦電感應(yīng)傳感器（GAH-TES），用于汗液監(jiān)測

包裹在β-環(huán)糊精（β-CD）中的葡萄糖氧化酶（GOx）由于其可拉伸性、無毒性和高選擇性而被摻入PVA基質(zhì)中。GAH在有葡萄糖時有響應(yīng)，GOx酶促反應(yīng)氧化葡萄糖后產(chǎn)生葡萄糖酸與H?O?。當(dāng)葡萄糖濃度升高時離子強度的增加使得機械化學(xué)鍵斷裂從而導(dǎo)致滲透溶脹，增加了水凝膠基質(zhì)的電導(dǎo)率，而電導(dǎo)率的變化促進了TENG系統(tǒng)摩擦起電。GAH是一種柔性電導(dǎo)體，并且在接觸帶電過程中表現(xiàn)出強烈的極化效應(yīng)。當(dāng)GAH吸收的葡萄糖濃度從0增加到500 μM時，TENG有更高的輸出性能。GAH-TES成功實現(xiàn)了自我驅(qū)動和連續(xù)的血糖監(jiān)測。

PVA作為GAH的基礎(chǔ)網(wǎng)絡(luò)。β-CD作為該水凝膠的受體連接PVA構(gòu)成的基礎(chǔ)網(wǎng)絡(luò)上。為了確保GOx存在于穩(wěn)定的環(huán)境下，將其通過非共價包裹在β-CD的空腔中。檸檬酸（CA）交聯(lián)的存在提供了氫鍵和額外的結(jié)合位點，使β-CD和GOx之間形成的包合物穩(wěn)定，如圖1（a）所示。該研究通過對PVA/CA/β-CD水凝膠進行了衰減全反射傅里葉變換紅外光譜（ATR-FTIR）分析，將CA交聯(lián)PVA水凝膠與純PVA水凝膠進行比較，顯示在1712 cm?1附近出現(xiàn)了新的振動帶，這表明C=O的形成，證實了CA在PVA基水凝膠中的化學(xué)交聯(lián)，如圖1（b）所示。

圖1（a）葡萄糖適應(yīng)性水凝膠（GAH）的制備；（b）PVA水凝膠、不含GOx的PVA交聯(lián)CA和GAH的ATR-FTIR光譜；（c）GAH

由于GAH基于GOx 酶促反應(yīng)進行葡萄糖濃度的監(jiān)測，酶促反應(yīng)會導(dǎo)致水凝膠溶脹從而影響吸水能力和機械強度。該研究為了確定水凝膠中最佳PVA濃度，研究了PVA水凝膠的溶脹時間。將含有5%、10%和15% wt PVA水凝膠浸泡在含有200 μM H?O?的PBS溶液觀察溶脹速率，得出PVA水凝膠的最佳吸收時間為60 min，如圖2a。而就高強度和吸收能力而言，10 wt% PVA是制備GAH的最適配比。研究人員研究了最適配比10 wt% PVA下GAH對H?O?吸附效率與電導(dǎo)率的關(guān)系及水凝膠的溶脹效率，如圖2b。當(dāng)H?O?濃度從0增加到500 μM時，基于PVA水凝膠的TENG的輸出電壓增加，如圖2c和2d所示。

圖2（a）不同PVA水凝膠溶脹時間的優(yōu)化；（b）10 wt% PVA水凝膠的H?O?吸附容量和電導(dǎo)率；（c）基于PVA水凝膠的TENG吸附H?O?的輸出電壓；（d）含0 ~ 500 μM H?O?PVA水凝膠電導(dǎo)率測量和歸一化輸出電壓

接下來，文章給出了GAH-TES傳感器中TENG的測試。對于汗液0 ~ 500 μM葡萄糖濃度的實時檢測，結(jié)果顯示當(dāng)葡萄糖濃度從0增加到500 μM時，TENG的輸出電壓信號變化為15 V ~ 65 V。并再次進行重復(fù)檢測，如圖3c。文章根據(jù)微觀歐姆電磁定律，提出了酶促反應(yīng)過程中產(chǎn)生的電荷增加與水凝膠電導(dǎo)率增加的比例關(guān)系，測試了在不同葡萄糖濃度下，PVDF表面電荷增加以及水凝膠電導(dǎo)率增加的類似趨勢，如圖3d。該現(xiàn)象可由GAH的界面極化來解釋，即H?O?氧化產(chǎn)生的H?和PVDF與GAH界面積聚的空間電荷形成的界面極化引起的離子極化效應(yīng)可以提升摩擦電性能，圖3e給出了相應(yīng)的示意圖。

圖3 GAH-TES檢測人造汗液中0 ~ 500 μM葡萄糖時的TENG輸出：（a）電壓響應(yīng)；（b）表面電荷響應(yīng)；（c）重復(fù)檢測葡萄糖的GAH-TES校準(zhǔn)曲線；（d）GAH-TES檢測0 ~ 500 μM葡萄糖時電導(dǎo)率和表面電荷的校準(zhǔn)曲線；（e）GAH-TES中極化效應(yīng)示意圖

之后，該研究展示了GAH-TES用于人工汗液葡萄糖監(jiān)測傳感性能的相關(guān)測試。首先驗證了GAH-TES信號主要由葡萄糖影響，尤其在葡萄糖為400 μM時，表現(xiàn)出了高選擇性，如圖4a。并對該傳感器具備長期穩(wěn)定性、再現(xiàn)性和可重復(fù)性進行了測試，如圖4b-4d。

圖4（a）GAH-TES在存在干擾物的情況下對葡萄糖監(jiān)測的特異性研究；（b）GAH-TES連續(xù)9天檢測200 μM 葡萄糖濃度下的電壓信號；（c）三種GAH-TES的再現(xiàn)性測試即用于檢測人體汗液中0 ~ 500 μM葡萄糖濃度的TES；（d）五次循環(huán)0和200 μM濃度下葡萄糖下GAH-TES的重復(fù)性測試

此外，研究人員又對GAH-TES的自修復(fù)和彎曲穩(wěn)定性做了測試。通過搭建電路來直觀地展示GAH的自修復(fù)特性，如圖5a-5b所示。通過對GAH進行超過3000次循環(huán)長期彎曲，得到GAH-TES在存在機械運動的情況下仍能提供穩(wěn)定和可靠的電信號，如圖5c所示。

圖5（a）GAH 在自修復(fù)過程中電路示意圖；（b）不同GAH狀態(tài)下LED燈響應(yīng)的亮度變化照片；（c）彎曲測試前后GAH和輸出電壓的照片30000次彎曲測試循環(huán)后GAH-TES的輸出電壓

最后，該研究給出了自供電GAH-TES在人體汗液血糖監(jiān)測中的實際應(yīng)用。即當(dāng)葡萄糖濃度過高時，GAH-TES的電壓信號就會有所響應(yīng)并點亮LED，如圖6a。并對實際汗液樣本下葡萄糖濃度變化時GAH-TES帶來的響應(yīng)進行了測試，如圖6b所示。

圖6 （a）自供電GAH-TES高葡萄糖濃度警報演示；（b）在實際汗液樣本中檢測餐前和餐后葡萄糖的GAH-TESs響應(yīng)

綜上所述，該基于自修復(fù)水凝膠的摩擦電感應(yīng)傳感器（GAH-TES）可用于人體汗液中的無創(chuàng)葡萄糖監(jiān)測，并且該設(shè)備具備長期穩(wěn)定性、可再現(xiàn)、可重復(fù)使用的特性。

論文鏈接： https://doi.org/10.1016/j.nanoen.2023.108513