天津大學黃顯教授團隊 Sci. Adv.：具有自我補償能力的全印制生物可吸收電化學設備用于連續(xù)皮下葡萄糖監(jiān)測
在一定時間內可以通過材料水解、酶輔助降解、和組織吸收而消失的生物可吸收植入式器件為避免植入器件的二次取出、降低相關炎癥反應提供了全新的解決途徑。盡管這些生物可吸收電子器件在物理信號感測方面表現出理想的性能和能力，但對于化學傳感來說，開發(fā)完全生物可吸收的器件仍然極具挑戰(zhàn)性，直接將傳感器暴露于各種干擾性生物分子的水溶液環(huán)境中的需求與保護器件免受液體和離子侵蝕的要求相沖突。
近期,天津大學精儀學院黃顯教授團隊基于生物可吸收材料的電偶耦合實現穩(wěn)定的電極電勢和準確的電化學檢測的機制開發(fā)了一種具有自我補償能力的全印制生物可吸收電化學設備用于連續(xù)皮下葡萄糖監(jiān)測。電化學傳感器包含鋅（Zn）工作電極（Working Electrode，WE）、鉬（Mo）對電極（Counter Electrode，CE）和鉬-鎢（Mo-W）參比電極（Reference Electrode，RE）。此外，材料降解的負面影響可以通過由Zn犧牲電極（Sacrificial Electrode，SE）、溫度傳感器、和溶解氧（Dissolved Oxygen，DO）傳感器構成的自我補償校正模塊進行補償（圖1）。
圖1生物可吸收電化學設備示意圖
該系統(tǒng)在葡萄糖傳感方面具有0~25 mM的檢測范圍、0.2458 μA/mM的靈敏度、優(yōu)秀的選擇性和特異性、以及良好的可逆性和機械穩(wěn)定性（圖2A~D）；溶解氧傳感器在飽和度0~180%區(qū)間內展現了R2為0.98的線性關系，并具有為0.0812 μA/%的靈敏度，與商業(yè)溶解氧傳感器具有良好的一致性（圖2E、F）；溫度傳感器在25~50°C范圍內具備0.16 %/°C的電阻溫度系數、17.5 mV/°C的靈敏度、以及良好的可逆性，并且在連續(xù)的溫度測試中與Pt基商業(yè)溫度傳感器保持良好的一致性（圖2H、I）。
圖2 生物可吸收傳感器的性能表征
此外，通過細胞毒性測試（圖3A、B）、體內降解測試（圖3C、D）、大鼠體重追蹤（圖3E）、大鼠血常規(guī)檢測（圖3F）、大鼠血液生化檢測（圖3G）、以及組織病理學檢查的綜合評估（圖3H），證明了生物可吸收電化學設備極佳的生物相容性。
圖3 生物相容性能表征
該系統(tǒng)可以實現連續(xù)五天的皮下葡萄糖實時監(jiān)測。首先是葡萄糖耐量試驗模型（Oral Glucose Tolerance Test，OGTT）。大鼠在實驗的前一天進行24小時的禁食，并分別在第1、3、5天向將大鼠近端空腸內注入5%的葡萄糖溶液。第一天測試期間葡萄糖傳感器電流響應在最初的35分鐘內從4.36 μA平穩(wěn)上升至5.21 μA，相應的葡萄糖濃度從5.95 mM增加到9.15 mM，在后續(xù)的90分鐘內電流響應下降至4.44 μA，相應的葡萄糖濃度下降至6.44 mM/L，葡萄糖濃度的波動與商業(yè)血糖儀的離散測量結果一致，符合健康大鼠的正常生理反應。OGTT的電流響應在第三天和第五天分別衰減至第一天的72.76%和34.91%，但在實驗過程中電流的變化趨勢與第一天相似（圖4A~D）。其次是1型糖尿病大鼠模型。生物可吸收電化學系統(tǒng)實時監(jiān)測1型糖尿病大鼠注射胰島素前后的生理反應變化。整個過程可以分為血糖快速下降和緩慢下降兩個階段。第一天注射胰島素后，電流響應在90分鐘內迅速從9.06 μA降至5.28 μA，并隨后50分鐘內緩慢下降到穩(wěn)定的5 μA，第3天和第5天的重復實驗顯示了相似的電流響應變化趨勢（圖4E~H）。
圖4 OGTT模型和1型糖尿病模型的大鼠在體測試
該工作是團隊近期關于生物可吸收電子器件的最新進展之一。電化學傳感器一直是生物可吸收電子器件難點問題，直接將傳感器暴露于各種干擾性生物分子的水溶液環(huán)境中的需求與保護器件免受液體和離子侵蝕的要求相沖突。為此團隊基于生物可吸收材料的電偶耦合實現穩(wěn)定的電極電勢和準確的電化學檢測的機制開發(fā)了一種具有自我補償能力的全印制生物可吸收電化學設備用于連續(xù)皮下葡萄糖監(jiān)測。該系統(tǒng)利用多種生物可吸收導電油墨，展示了使用絲網印刷和低溫水燒結技術實現規(guī)模制造可生物吸收電化學器件的可能性，同時它是首個能夠實現植入式血糖監(jiān)測且具有低組織刺激和感染風險的全生物可吸收電化學系統(tǒng)之一。本研究所提出的理論和機制可能會推動全面生物可吸收電化學測試系統(tǒng)和多種傳感器的開發(fā)，從而徹底改變慢性疾病的診斷和治療。
原文鏈接：https://www.science.org/doi/10.1126/sciadv.adi3839
