基于微针电极阵列的生物传感器，用于组织间质液中葡萄糖的超灵敏监测
2024-08-18 11:04:36   来源：麦姆斯咨询   评论：0   点击：

葡萄糖是生物体内最重要的营养物质之一，为各种生理活动提供所需的能量。然而，人体内葡萄糖生成的任何异常都会成为影响人体健康的潜在风险。其中，长期高血糖会导致糖尿病，并引起各种并发症，例如肾功能衰竭、视网膜病变、神经病变、心脑血管疾病等。这些并发症严重影响糖尿病患者的生活质量，甚至会危及患者的生命。因此，能够持续监测血糖水平并提供紧急状况预测的智能即时检测电子系统在新兴的精准医学发展中大有可为。

与其它生物体液相比，组织间质液（ISF）中的葡萄糖水平与血糖浓度的关联性更强。因此，作为血糖监测（BGM）的替代方案，基于ISF的连续血糖监测系统（CGM）可以通过电化学方法检测生物体内的葡萄糖浓度，并已经实现了实际应用。此外，基于智能手机的即时医疗检测平台可以利用无线通信将数据直接发送给医疗服务提供者和患者。

尽管这些技术具有一定的优势，但仍存在一些限制其广泛应用的关键挑战。其中包括对实现可靠的长期监测至关重要的传感器稳定性和寿命问题；以及决定生物传感器在临床应用过程中的准确性和实用性的灵敏度问题。由于要在机械稳定性、生物相容性和检测性能之间进行权衡，传统的材料和设计往往无法实现这些关键因素的有效改善。

据麦姆斯咨询报道，为了解决上述挑战，来自埃及尼罗河大学（Nile University）的研究人员开发了一种基于聚甲基丙烯酸甲酯（PMMA）的葡萄糖微针（MN）传感器。这种传感器通过3D打印、微细加工、电沉积和酶固定步骤制作而成。体外测试结果表明，其线性范围为1.5 ~ 14 mM，灵敏度为1.51 μA/mM，检测限（LOD）为0.35 mM，并具有良好的选择性。此外，这种传感器的检测结果具有很高的重复性和再现性，并且在存在生理相近浓度的抗坏血酸、尿酸和甘露糖的情况下，葡萄糖的检测不受干扰，阵列的工作稳定性也得到了证明。相关研究成果近期以“Early detection of hypo/hyperglycemia using a microneedle electrode array-based biosensor for glucose ultrasensitive monitoring in interstitial fluid”为题发表在Lab on a chip期刊上。

具体而言，研究人员首先使用3D打印工艺制造微针并构建出微针阵列。然后，利用微加工和溅射工艺在微针上形成了电化学传感电极。接着，在涂覆了Nafion膜的工作电极上依次修饰纳米结构聚苯胺（NSPANI）层、金纳米颗粒（AuNPs）层，以及酶固定层，以进行葡萄糖监测。其中，NSPANI和AuNPs的使用提高了电极的检测灵敏度和表面积，而Nafion膜提高了电极的选择渗透性。随后，研究人员对修饰后的微针传感器的传感层在模拟ISF中进行了测试，并使用不同的分析方法对其进行了表征。表征结果显示，所开发的基于葡萄糖氧化酶（GOx）的微针生物传感器对人工ISF中的葡萄糖具有良好的检测灵敏度、高选择性和持续的安培检测能力。

图1 用于人工间质液中葡萄糖监测的微针阵列的制造过程

图2 利用生物传感器对不同溶液中的葡萄糖进行体外检测

此外，该研究设计了数据采集系统以对微针葡萄糖传感器的读数进行获取和数字化。然后通过无线通信将读数发送到数据中心进行数据分析和处理。因此，本文提出的微针传感器及移动应用界面可实现对患者的连续葡萄糖监测。它为应用预测算法进行自动糖尿病管理以及对糖尿病患者进行连续实时微创血糖监测打开了大门。

图3 数据采集系统和移动应用界面示意图

总体而言，这项工作的关键创新点在于将3D打印微针与NSPANI和AuNPs协同使用。在基于微针的连续血糖监测方面，这种方法具有一些以前从未探索过的优势。首先，NSPANI具有独特的纳米结构，与传统的电极材料相比，其表面积大得多，这样就可以固定更多的GOx分子，从而提高葡萄糖检测的灵敏度。此外，NSPANI和GOx之间的强相互作用提高了传感器的稳定性和寿命，其在pH值为7.4的含有葡萄糖的人工ISF中实现了长达10天的稳定性和寿命。此外，在葡萄糖检测过程中，AuNPs的使用可以进一步扩大电极的有效表面积并增强电催化活性，并可以进一步转化为更强、更可检测的电信号。这种独特的方法有望显著提高微针葡萄糖传感器的灵敏度、稳定性和整体性能。

综上所述，该研究提出了一种集成微针阵列的生物传感系统，该系统能以微创方式连续监测正常人和糖尿病患者的皮下血糖。通过在微针电极上修饰NSPANI薄膜、AuNPs、GOx和Nafion膜，成功制作了葡萄糖微针传感器。由于采用了微细加工和电化学方法，该生物传感装置具有宽广的检测范围和线性灵敏的葡萄糖检测能力，并且在缓冲溶液和人工ISF中实现了稳定可靠的葡萄糖检测。NSPANI和AuNPs的协同使用增加了电极表面积，为GOx与葡萄糖反应产生的H2O2向电极表面转移提供了通道。在体外测试中，经过制备过程中的实验参数优化，葡萄糖微针传感器在人工ISF中的线性范围为1.5 ~ 14 mM，灵敏度为1.51 μA/mM，LOD为0.35 mM。此外，对制备的微针传感器的测试结果显示，对连续血糖监测至关重要的酶在10天后仍能保持80%以上的活性。展望未来，进一步地工作将集中在提高储存稳定性和监测线性范围上。此外，这种微针传感器有望在不久的将来实现在真实样品检测中的应用。

论文链接：https://doi.org/10.1039/D4LC00365A

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