深圳大学张学记&许太林：可穿戴连续血糖监测(CGM)生物传感器

通讯作者：许太林；张学记

通讯单位：深圳大学

连续生理监测是当前慢性病管理的一种有前景的方案，可用于获取大数据集以帮助个性化治疗。

深圳大学张学记教授和许太林副教授提出了一个灵活、小型化、柔性的电化学生物传感器和完全集成的无线电化学分析系统组成的连续血糖监测系统(CGM)。相关工作以“Fully integrated flexible biosensor for wearable continuous glucose monitoring”为题发表在Biosensors and Bioelectronics上。

图1. (A)在PET基板上丝网印刷柔性电极阵列和通过自动化设备制备葡萄糖传感器。(B)可穿戴葡萄糖传感器的植入图和生物传感机制。(C)所提出的完全集成的柔性葡萄糖传感器系统的概念方案，用于对兔子进行可穿戴式连续葡萄糖监测。

基于聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET)薄膜作为柔性基板，采用丝网印刷技术形成三个不同电极。工作电极和参比电极印在基板的一侧，反电极印在另一侧。受共轭聚合物(CP)的官能团和电导率特性的启发，通过化学合成定制水溶性聚(N-苯基甘氨酸)(PPG)作为酶固定化平台。聚氨酯外层装饰在生物传感器的工作电极上以构建扩散限制膜并提高葡萄糖传感器的线性范围。

为了克服在人体生理环境中测定葡萄糖浓度时生物干扰(如抗坏血酸)AA)、多巴胺(DA)和尿酸(UA))的复杂问题，将普鲁士蓝（PB）直接掺杂到碳中油墨作为电子转移介质，以在低施加电位下实现测量。

通过丝网印刷技术、酶固定支撑材料的选择、小型化版图设计，将柔性电极组件、酶传感层、聚氨酯（PU）外层和小型化印刷电路板（PCB）板集成到可穿戴CGM中生物传感器。

在体外达到1—30 mM的线性范围和12.69 µA·mM-1·cm-2的灵敏度。4℃ PBS溶液保存，长期稳定性可达30天。整个系统设计非常小(0.8×1.8cm)，由信号调节部分、可编程电化学芯片以及使用蓝牙低功耗与智能手机的无线连接组成。

图2.(A)裸电极在含有0.1 MKCl的0.1 M PBS(pH7.0)中的循环伏安图，扫描速率为20 mV/s。(B)循环伏安图：PPG/GOx电极(a)和PPG/GOx/PU电极(b)在0.1 MPBS(pH7.0)中，存在6 mM葡萄糖，100 mV/s。(C)PPG电极在不同扫描速率下的循环伏安图。(D)扫描速率与阳极(Ipa)和阴极(Ipc)峰值电流值的校准图。(E)外加电位对6 mM葡萄糖电流响应的影响。(F)PPG负载对6 mM葡萄糖电流响应的影响。(G)GOx负载对6 mM葡萄糖电流响应的影响。(H)电流响应与PBS和血清中葡萄糖浓度的校准曲线的线性图。(I)每隔几天葡萄糖传感器对各种葡萄糖浓度的电流响应。(J)0.5 mM干扰(AA、DA和UA)对葡萄糖传感器响应的影响。(K)葡萄糖传感器的电流信号与来自七个独立制备的批次的葡萄糖浓度。(L)生物传感器在0.1 MpH7.0 PBS中在0.4 Vvs. Ag/AgCl下葡萄糖浓度在1到30 mM之间变化时的可逆性能。误差棒代表标准偏差除以三个独立测量的平方根。

图3. (A)电路图的图像。(B)电路的系统框图。(C)PPG/GOx/PU CGM系统和FreeStyle Libre CGM系统的照片作为参考，植入兔子背部。(D)将葡萄糖注入兔耳静脉毛细血管的照片。(E)应用辅助智能手机作为无线接收器实时监控。(F)PPG/GOx/PU CGM系统对注射葡萄糖的电流响应(黑线)和FreeStyle Libre CGM系统测得的ISF葡萄糖值(红色方块)。

链接：

https://doi.org/10.1016/j.bios.2021.113760