北京大學(xué)崔悅課題組：3D打印微針生物傳感器用于糖尿病的持續(xù)監(jiān)測

糖尿病是一種流行慢性代謝性疾病，具有多種臨床表現(xiàn)和并發(fā)癥，是死亡的主要原因之一。連續(xù)血糖監(jiān)測可加強(qiáng)糖尿病管理，通過及時了解血糖水平波動情況來調(diào)整治療方案，可減少住院次數(shù)并節(jié)約醫(yī)療費用，減少無效藥物的使用從而挽救生命。微針系統(tǒng)在糖尿病的持續(xù)和實時監(jiān)測方面有著巨大的前景，其可在不觸及痛點的情況下到達(dá)真皮，并且可以降低感染的可能性，有著更高的安全性。已有不少研究者開發(fā)出了用于糖尿病監(jiān)測的微針生物傳感器。然而，這些傳感器的血糖檢測范圍仍然有限，這使得對血糖水平高的患者的監(jiān)測不準(zhǔn)確，且對實時的葡萄糖濃度的反映不夠靈敏。此外，目前尚未有相關(guān)傳感器將工作電極、參比電極和計數(shù)電極集成在同一芯片中。

近日，北京大學(xué)崔悅課題組首.次展示了集成微針生物傳感裝置對糖尿病的連續(xù)監(jiān)測。該裝置采用3D打印工藝、電鍍工藝和酶固定化步驟制造。將該裝置插入小鼠皮膚真皮層，對正常或糖尿病小鼠皮下葡萄糖水平的監(jiān)測具有準(zhǔn)確的傳感性能。檢測結(jié)果與商業(yè)血糖儀的檢測結(jié)果水平相當(dāng)。這項研究有望為糖尿病的監(jiān)測和治療提供有效的途徑，同時也為皮下電子設(shè)備的基礎(chǔ)研究開辟道路。相關(guān)研究結(jié)果以“Continuous monitoring of diabetes with an integrated microneedle biosensing device through 3D printing"為題發(fā)表于《Microsystems & Nanoengineering》。

圖1 微針生物傳感器件整體方案及材料表征。其中使用了不同設(shè)備打印了不同尺寸的錐形微針陣列，如圖e, f所示。圖e中的微針高度約為0.8 mm，底部直徑為0.4 mm，間距為0.2 mm。（SprintRay Technology Ltd., China）圖f中的微針高度約為0.5 mm，底部直徑為0.1 mm，間距為0.4 mm。(nanoArch S140, 摩方精密)

該工作設(shè)計并使用面投影微立體光刻技術(shù)（nanoArch S140, 摩方精密；MoonRay, SprintRay Technology Ltd.）打印了9×9的微針陣列，單個微針的結(jié)構(gòu)為錐形。微針陣列確保工作電極和皮膚之間有足夠的接觸面積，通過減小器件尺寸，形成穩(wěn)定的傳感器-皮膚界面。微針生物傳感器采用雙電極結(jié)構(gòu)，包括普魯士藍(lán)涂層的Au工作電極和Ag/AgCl計數(shù)器/參比電極。每個電極占據(jù)一定的微針陣列，使用磁控濺射在微針表面鍍上Au或Ag，Ag/AgCl層由Ag層的氯化作用得到，Au電極上的普魯士藍(lán)涂層采用電鍍工藝制得。最后，將葡萄糖氧化酶固定在傳感器的Au工作電極上。

整個傳感器構(gòu)建完成后，將微針插入小鼠皮膚真皮層。在皮下葡萄糖的存在下，工作電極上的酶促反應(yīng)產(chǎn)生H₂O₂，從而產(chǎn)生電流信號響應(yīng)。該生物傳感裝置在緩沖溶液、等離子體和模擬ISF中顯示出可靠和穩(wěn)定的葡萄糖檢測，微加工和電化學(xué)鍍步驟使傳感器能夠線性和靈敏地檢測葡萄糖，且檢測范圍得到拓寬。進(jìn)一步地，將傳感器插入小鼠皮膚真皮層，傳感器在小鼠進(jìn)食或被注射胰島素的情況下，能夠準(zhǔn)確地連續(xù)實時監(jiān)測皮下葡萄糖水平。

圖2 微針陣列傳感器的制備工藝及其檢測H₂O₂的性能。

圖3 生物傳感裝置在不同環(huán)境下的選擇性和穩(wěn)定性。

圖4 用生物傳感裝置對不同溶液中的葡萄糖進(jìn)行體外傳感。

圖5 用生物傳感裝置對小鼠皮下葡萄糖進(jìn)行體內(nèi)監(jiān)測。