3D打印微針生物傳感器用于糖尿病的持續監測

糖尿病是一種流行慢性代謝性疾病，具有多種臨床表現和并發癥，是死亡的主要原因之一。連續血糖監測可加強糖尿病管理，通過及時了解血糖水平波動情況來調整治療方案，可減少住院次數并節約醫療費用，減少無效藥物的使用從而挽救生命。微針系統在糖尿病的持續和實時監測方面有著巨大的前景，其可在不觸及痛點的情況下到達真皮，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出了用于糖尿病監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測不準確，且對實時的葡萄糖濃度的反映不夠靈敏。此外，目前尚未有相關傳感器將工作電極、參比電極和計數電極集成在同一芯片中。

近日，北京大學崔悅課題組首.次展示了集成微針生物傳感裝置對糖尿病的連續監測。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測具有準確的傳感性能。檢測結果與商業血糖儀的檢測結果水平相當。這項研究有望為糖尿病的監測和治療提供有效的途徑，同時也為皮下電子設備的基礎研究開辟道路。相關研究結果以“Continuous monitoring of diabetes with an integrated microneedle biosensing device through 3D printing"為題發表于《Microsystems & Nanoengineering》。

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https://doi.org/10.1038/s41378-021-00302-w

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)

該工作設計并使用面投影微立體光刻技術（nanoArch S140, 摩方精密；MoonRay, SprintRay Technology Ltd.）打印了9×9的微針陣列，單個微針的結構為錐形。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，形成穩定的傳感器-皮膚界面。微針生物傳感器采用雙電極結構，包括普魯士藍涂層的Au工作電極和Ag/AgCl計數器/參比電極。每個電極占據一定的微針陣列，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產生H2O2，從而產生電流信號響應。該生物傳感裝置在緩沖溶液、等離子體和模擬ISF中顯示出可靠和穩定的葡萄糖檢測，微加工和電化學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。進一步地，將傳感器插入小鼠皮膚真皮層，傳感器在小鼠進食或被注射胰島素的情況下，能夠準確地連續實時監測皮下葡萄糖水平。

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境下的選擇性和穩定性。

圖4 用生物傳感裝置對不同溶液中的葡萄糖進行體外傳感。

圖5 用生物傳感裝置對小鼠皮下葡萄糖進行體內監測。