細胞間液pH對于反離子電滲透皮提取葡萄糖通量的影響研究

隨著生活水平的提高，全球糖尿病人數不斷增加，到2045年預計將達到6.93億。傳統(tǒng)的指尖血糖儀是有限次測量，無法持續(xù)追蹤血糖水平的變化趨勢，而且頻繁的針刺式檢測給患者帶來痛苦和不便。相比之下，基于汗液、唾液、眼淚和細胞間液（ISF）等生物體液的微創(chuàng)連續(xù)血糖監(jiān)測（CGM）成為一種有希望的替代方案，能提供實時準確的血糖水平信息?；谄は轮踩胧诫姌O的CGM已經商業(yè)化，如Guardian Connect、Freestyle Libre 3和Dexcom G7，可以實時測量糖尿病患者的ISF葡萄糖水平，并用于血糖跟蹤。然而，植入式CGM的微針易斷裂、成本高，長期使用可能引發(fā)疼痛、出血和炎癥，且測量精度會隨著時間逐漸降低，因此，臨床推廣一直較為困難。

與皮下植入式CGM相比，以反離子電滲（reverse iontophoresis，RI）為代表的透皮提取技術通過表皮提取ISF葡萄糖進而實現血糖監(jiān)測，這種方法具有無痛、不引起感染、器件易于小型化的特點，適用于穿戴式的表皮生理信息監(jiān)測，是一種非常有潛力的血糖監(jiān)測手段。在RI提取過程中，溫度、施加電流的密度和皮下ISF的pH值往往是影響葡萄糖提取量的關鍵因素。目前已有研究對溫度和電流密度的影響進行了校準，然而，關于pH值對RI透皮提取葡萄糖通量的影響機制尚不清楚。此外，個體差異或者運動等引起的微小pH值變化可能會對表皮葡萄糖檢測的準確性產生影響，需要進一步校準。

針對上述問題，該論文研究了pH值對基于反離子電滲法透皮提取葡萄糖通量的影響，探究了pH影響葡萄糖提取通量的機制。不同pH條件下的建模和數值仿真表明，pH通過改變Zeta電位從而改變葡萄糖提取的方向和通量。同時，該研究制備了一種集成RI提取電極的葡萄糖生物傳感器，用于實現ISF提取和葡萄糖同步監(jiān)測。通過使用0 ~ 20 mM不同皮下葡萄糖濃度進行提取實驗，證明了ISF提取和葡萄糖檢測裝置的準確性和穩(wěn)定性。不同ISF pH值的提取結果表明，在5 mM和10 mM皮下葡萄糖濃度下，每增加1個pH單位，提取的葡萄糖濃度分別增加了0.08212 mM和0.14639 mM。此外，5 mM和10 mM葡萄糖的歸一化結果有良好的線性相關性，表明在用于校準葡萄糖監(jiān)測的血糖預測模型中加入pH校正因子具有較大潛力。

理論分析和仿真

該研究首先從理論上分析了pH值對葡萄糖提取通量的影響機理。然后利用COMSOL軟件在不同pH值條件下進行了初步建模和數值仿真。具體而言，葡萄糖的電滲透轉運可以通過改變LVE值來改變膜的透過選擇性，從而改變葡萄糖的滲透通量，這一值是和pH有關的參數。人體皮膚的等電點在4 ~ 4.5之間。高于這個值，皮膚層蛋白質的羧酸基團會釋放質子并帶負電，而低于這個值則帶正電。皮下ISF的pH值高于此值，因此，皮膚在生理pH值下帶負電荷。皮膚帶電荷的數量可以隨著pH的變化而改變，這改變了皮膚雙電層中的Zeta電位，進而改變RI提取葡萄糖電滲流速度，從而影響葡萄糖的提取通量。

圖1D為葡萄糖提取的仿真模型，數值仿真過程涉及電場和稀物質傳遞的耦合。圖1E-1G仿真結果表明，當模擬ISF的pH低于人體皮膚的等電點時，Zeta電位為正，因此葡萄糖在陽極積聚（圖1E）。然而在pH等于等電點的情況下，皮膚是電中性的，因此葡萄糖主要通過被動擴散進行傳輸（圖1F）。如圖1G所示，在正常生理條件下，pH大于等電點，導致Zeta電位為負，將葡萄糖向陰極驅動。理論分析和仿真表明，pH的變化會顯著影響葡萄糖的提取通量甚至改變其方向，因此需探究其影響并進行校準。

圖1 pH值影響ISF透皮提取和葡萄糖檢測原理和仿真

表皮葡萄糖傳感器的結構設計與制備

圖2為所制備的葡萄糖傳感器的結構圖。提取過程由外部電源提供動力，提取電極之間的電場產生電流從而流過皮下組織和內部傳感器。因此，皮下ISF中的葡萄糖和其他帶電離子沿著這條路徑被提取到皮膚表面。在RI提取過程中施加的電壓可能會使一些中性粒子帶電，從而干擾后續(xù)葡萄糖檢測產生的安培電流。為解決這個問題，所制備的傳感器為對稱結構，以減小傳感器表面帶電離子分布不均所造成的誤差。此外，提取電極和葡萄糖傳感器形成了嵌套結構以形成更有效的利用空間。所有電極都被Nafion水凝膠包覆和連接，這實現了葡萄糖的原位檢測，減少了由于ISF傳輸引起的干擾。采用絲網印刷的工藝加工并制備表皮葡萄糖傳感器，如圖3所示。

圖2 表皮葡萄糖傳感器的結構設計



圖3 表皮葡萄糖傳感器的加工工藝

表皮葡萄糖傳感器的性能表征

如圖4E所示，PB層的引入使得CV曲線的氧化峰電位降低，從而減小干擾電流；圖4G表明PtNPs/PB修飾的碳工作電極的靈敏度比單一碳電極提高了約6.8倍，更利于低濃度葡萄糖檢測。葡萄糖傳感器的靈敏度為519.11 nA/mM（圖4I）；通過在PBS中加入鈉離子，氯離子多巴胺等干擾物質，發(fā)現葡萄糖傳感器只有加入葡萄糖時才會產生較為明顯的響應電流（圖4J）。60°和90°彎曲后的傳感器的CV和i-t結果表明，所制備傳感器具有較好的機械性能，滿足柔性可穿戴需求（圖4L、4M）。

圖4 表皮葡萄糖傳感器的性能表征

不同濃度和不同pH值的提取表征

如圖5B所示，在葡萄糖傳感器進行i-t測試之前，先對其進行10次CV掃描以穩(wěn)定電極，取i-t曲線100 s時的穩(wěn)態(tài)電流作為測試結果。如圖5C所示，連續(xù)提取6次，葡萄糖的響應電流隨著提取次數的增加而增加，圖5D的擬合結果表明提取的葡萄糖濃度和提取次數呈線性關系，隨著皮下ISF葡萄糖濃度的增加，提取的葡萄糖濃度與RI提取次數的擬合斜率增加，表明ISF提取和葡萄糖檢測系統(tǒng)用于實時累積葡萄糖測量的有效性。為了研究ISF pH對葡萄糖提取通量的影響，在pH為6.5、6.9、7.3、7.7、8.1和8.5的Tris-HCl緩沖液中制備含有140 mM NaCl的葡萄糖溶液。

為了減少或消除葡萄糖濃度差異造成的干擾，文章選取5 mM（正常）和10 mM（糖尿病）模擬ISF溶液進行不同pH值的提取實驗。如圖5G所示，提取葡萄糖濃度隨著pH值顯著增加。各pH值下提取葡萄糖濃度與提取葡萄糖次數的擬合曲線表現出良好的線性相關性。當皮下葡萄糖濃度為10 mM時（圖5H），在6.5 ~ 8.5的pH梯度下，提取的葡萄糖濃度明顯大于5 mM葡萄糖時提取的葡萄糖濃度。圖5I給出了不同葡萄糖濃度和不同ISF pH值下，響應電流隨RI提取次數的斜率。這證實了在人體正常pH值6.5 ~ 8.5范圍內增加pH值會導致葡萄糖提取量增加。這些結果表明，通過改變pH可以改變皮膚表面的zeta電位，從而影響葡萄糖的電滲流，這與之前的理論研究一致。

圖5 不同濃度和不同pH值下ISF葡萄糖的提取結果

不同濃度和不同pH值的歸一化結果

如圖6A所示，提取葡萄糖濃度與皮下ISF葡萄糖濃度的擬合斜率為0.00968，相關系數為0.99946。為了表征該系統(tǒng)檢測皮下葡萄糖濃度的準確性，對3 mM ~ 18 mM以3 mM為梯度的葡萄糖溶液進行了提取檢測（圖6B）。預測的皮下ISF葡萄糖濃度取自圖6A的線性擬合，結果表明預測葡萄糖濃度與實際葡萄糖濃度之間具有高度一致性，斜率和線性相關系數分別為1.19309（接近1）和0.98587。因此，所制備的葡萄糖傳感器滿足不同pH值下的RI提取和葡萄糖檢測的要求。不同ISF pH值的提取結果表明，在5 mM和10 mM皮下葡萄糖濃度下，每增加1個pH單位，提取的葡萄糖濃度分別增加了0.08212 mM和0.14639 mM。此外，5 mM和10 mM葡萄糖濃度的歸一化結果顯示出線性相關性，這表明在用血糖預測模型中納入pH校正因子具有較大潛力。

圖6 不同濃度和不同pH值下的歸一化結果

該研究成果于近期以“Effect of interstitial fluid pH on transdermal glucose extraction by reverse iontophoresis”為題在線發(fā)表在傳感器領域頂刊Biosensors and Bioelectronics上，蒲治華副研究員為本文的通訊作者，在讀碩士生朱旺旺為第一作者。

審核編輯：劉清