基于荧光的生物可降解微针传感器阵列用于连续血糖监测

连续血糖监测（CGM）在实时跟踪血糖水平中发挥着至关重要的作用，并且可以为有效预防低血糖或高血糖发作引起的糖尿病并发症提供关键信息。然而，尽管商用连续血糖监测装置已经取得了相当大的进展，但仍然迫切需要开发用户友好、微创的连续血糖监测装置。微针型装置具有监测体内葡萄糖水平的潜力，并且其轻薄和小尺寸的特点使得其具有最小的侵入性。此外，与传统的皮肤贴附式可穿戴装置不同，包含微型针头的装置可以固定在皮肤上，因此，它们运行稳定，不会在活动中脱落。

据麦姆斯咨询报道，为了克服以前所开发的连续血糖监测系统的局限性，来自韩国延世大学（Yonsei University）的研究人员提出了一种基于荧光的微创生物可吸收微针传感阵列。该微针葡萄糖传感器结构简单，由两层组成：一层是丝制的微针层，该微针层含有葡萄糖响应荧光单体，可以根据血糖水平发出荧光；另一层为聚乙烯醇（PVA）背封层，用于固定针头并便于插入皮肤。含有荧光物质的微针传感器的荧光强度可以根据组织液中的葡萄糖浓度而变化，也就是说，该微针传感器在低血糖水平时表现出低荧光强度，在高血糖水平时表现出高荧光强度。相关研究成果近期以“Fluorescent-based biodegradable microneedle sensor array for tether-freecontinuous glucose monitoring with smartphone application”为题发表在Science Advances期刊上。

图1 用于连续血糖监测（CGM）的生物可降解微针阵列传感器

如图1所示，虽然用于连续血糖监测的生物可降解微针传感器的工作方法和原理非常简单直观，但它是一个功能强大的系统。利用该微针传感器，用户可以在不需要外部无线通信设备或连接线的情况下，随时随地监测血糖水平。此外，该基于微针阵列的血糖监测传感器在使用后可以完全溶解并从体内消失，从而无需额外的手术。同时，其生物相容性和生物可降解的特点使其可以应用于胰岛素等药物装载和药物输送，也可以用于血糖监测，具有很高的研究和临床价值。

为了证实生物可降解的微针血糖传感器可以连续测量活体组织中的血糖水平，研究人员用小鼠进行了体内实验。研究结果显示，在所有的实验中，生物可降解的微针血糖传感器皆成功地监测了小鼠的血糖水平。此外，该微针血糖传感器不仅可以应用于实验室中的小鼠，还可以通过定制模具来调整微针的大小、长度和阵列数量，从而应用于人体。并且，使用者在使用生物可降解的微针血糖传感器期间和之后都可以自由活动，使用后也可以正常生活，没有任何副作用。

图2 利用生物可降解微针传感器进行体内连续血糖监测（CGM）

最后，为了证明该生物可降解微针传感装置在日常生活中的实际可用性，研究人员开发了一款用户友好的家庭诊断系统。该系统使用生物可降解的微针传感器和智能手机，使连续血糖监测系统处于可自由移动状态。可连接到智能手机摄像头的外部附属设备提供了一个405 nm波长的发光二极管（LED）阵列作为光源，用于激活葡萄糖响应荧光单体的荧光，以及一个450 nm波长的光学长通滤光片，用于去除可能被摄像头镜头接收的不需要的405 nm波长的光。此外，定制开发的智能手机应用程序（App）允许用户直观地操作各种功能，例如拍照、裁剪图像、分析图像数据以测量血糖水平，并绘制测量数据，以便他们可以轻松识别自己的状态。

由于荧光数据会受到各种因素的影响，例如手机摄像头角度或摄像头与微针传感器之间的距离，因此需要将数据变异性最小化。为了解决这个问题，用户可以通过从不同角度重复测量来校准荧光图像数据。通过对多个角度的图像数据进行平均，可以减少数据的波动性，进而提高数据可靠性。如图3C所示，经验证，该家庭诊断系统重复测量的校准数据（四次）可以实现以15至20分钟的时间延迟来有效跟踪血糖水平。

图3 操作人性化的家庭诊断系统

综上所述，研究人员开发的基于生物可降解微针传感器的突破性血糖监测系统克服了以往测量方法的缺点，例如不舒适、疼痛、创伤、依赖手术、成本高、过程复杂、无法进行连续血糖监测以及使用时间短等。因此，本研究开发的系统可以完全取代传统的血糖监测方法，使糖尿病患者可以方便、准确地预防低血糖或高血糖以及由此引发的其它并发症。此外，该研究开发的生物可降解微针阵列装置可以装载胰岛素等药物。因此，其很有可能扩展为下一代融合生物系统，从而同时实现葡萄糖相关疾病的监测和治疗。

审核编辑：刘清