采用纳米技术实现连续腹腔和皮下葡萄糖监测传感装置的微型化

据麦姆斯咨询报道，近期，来自挪威Lifecare公司和德国法兰克福大学（Goethe-Universität）的研究人员开发了一款基于渗透压原理的微型化葡萄糖传感装置。为了实现整体装置的微型化，这项研究工作使用纳米颗粒隧道电阻式（NTR）压力传感器（腔室容积为750 nL）取代传统的压阻式（PR）压力传感器（腔室容积为70 μL），从而成功地将核心传感单元的渗透压腔室的尺寸缩小了95%以上。相关研究成果以“Miniaturization of an Osmotic Pressure-Based Glucose Sensor for Continuous Intraperitoneal and Subcutaneous Glucose Monitoring by Means of Nanotechnology”为题发表在Sensors期刊上。

葡萄糖水平的检测是依赖胰岛素进行治疗的糖尿病患者的多项日常程序的一部分。在葡萄糖水平检测结果的基础上，全世界每天会产生数百万个针对糖尿病患者的治疗决策（例如注射胰岛素的剂量），这些决策可能对患者的短期和长期健康产生影响。

目前，除了离散型葡萄糖检测系统，各种连续葡萄糖监测（CGM）系统已在过去二十年中逐渐发展起来。连续葡萄糖监测系统是基于葡萄糖氧化酶检测技术，通过针式传感器检测皮下组织间质液中的葡萄糖水平的装置。通常，连续葡萄糖监测系统每五分钟提供一次检测结果，并将结果传输到手持接收设备或智能手机上。

第一款连续葡萄糖监测装置是由美敦力在千禧年之初推出的MiniMed。它被证实可以实现为期3天的连续葡萄糖监测，但是需要每天进行多次校准才能达到可接受的精度。当前，连续葡萄糖监测技术已经得到了巨大的进步，更好的检测精度和更长的使用时间使得基于针式传感器的连续葡萄糖监测系统成为所有1型糖尿病患者以及许多2型糖尿病患者经常使用的糖尿病诊断工具。

然而，目前的连续葡萄糖监测传感系统需要每10 ~ 14天更换一次针式传感器，并且存在干扰和准确性问题。因此，医学上仍然需要开发具有改进的检测性能的小型葡萄糖传感器。理想情况下，这种传感器可以植入人体，并可以长时间使用。此外，开发的传感器应具有经济适用性，并且不应该对环境产生重大影响，因为使用当前的连续葡萄糖监测系统会产生大量（塑料）废弃物。

目前，Sencell（Lifecare AS，卑尔根，挪威）的开发为实现这一目标提供了一种可能性。Sencell是一种采用无线能源和数据传输的小型植入式葡萄糖传感装置。该葡萄糖传感装置利用由装置外部间质液中葡萄糖浓度的增加和减少引起的封闭腔室内渗透压的变化来进行人体血糖水平的估计。

该葡萄糖传感装置所采用的底层的渗透压技术是由Johannesen等人在十年前提出的。简而言之，封闭的传感器腔室中存在具有大量葡萄糖结合分子（GBM）和葡萄糖样配体（GL）的活性流体，将腔室暴露在不同葡萄糖浓度的外部液体中时，能够产生可检测的渗透压信号。在不含葡萄糖的溶液中，由于葡萄糖样配体在葡萄糖特异性结合位点与葡萄糖结合分子静电结合，葡萄糖结合分子和葡萄糖样配体形成复合物。

当葡萄糖穿过半透膜进入腔室时，葡萄糖样配体将从葡萄糖结合分子的结合位点脱落，因为葡萄糖对葡萄糖结合分子受体的结合亲和力略高。随后，每一个从葡萄糖结合分子-葡萄糖样配体复合体中释放出来的葡萄糖样配体分子都提高了腔内的渗透压。

这个反应是完全可逆的，因此，外部葡萄糖浓度的降低可以使葡萄糖分子离开葡萄糖结合分子的结合位点，这使得葡萄糖结合分子和葡萄糖样配体重新结合，从而使得渗透压下降。此外，外部液体中的葡萄糖浓度与腔室内可检测的渗透压之间存在线性关系。而且所描述的可逆亲和反应在产生信号时不消耗任何分子，从而为该传感装置在体内的长期使用提供了可能性。

在过去的几年里，基于这种传感原理的有线体外葡萄糖传感原型装置已经被开发出来。目前，最新开发的葡萄糖传感原型装置使用最小的商用压阻式压力传感器来检测葡萄糖诱导的渗透压变化，其腔室容积为70 μL（图1）。

图1 使用压阻式（PR）压力传感器的临床前体外葡萄糖传感原型装置（图中上半部分）和采用纳米级纳米颗粒隧道电阻式（NTR）压力传感器的微型化核心传感单元（图中下半部分）  

然而，这种葡萄糖传感原型装置需要进一步微型化才能在临床上使用。但是，采用传统的技术无法进一步缩小该传感装置的腔室的尺寸，因为传统（压阻式）压力传感器无法在进一步微型化的同时保持必要的压力传感灵敏度。因此，需要一种新的检测原理。

2016年，Dukic等人发表了一篇关于纳米级尺寸的压敏元件（纳米颗粒隧道电阻式压力传感器）的制造工艺和理化性质的报告。该传感器采用直接写入技术，并通过聚焦电子束诱导沉积（FEBID）法构建。简而言之，首先，在电子显微镜中引入气体注入系统；随后，将电子束定向到预定的传感器位置；接着，从侧面将金属有机前驱体气流引导到同一位置；最后，在电子束的焦点中，先前吸附的金属有机前体分子被解离，导致永久沉积。在此过程中，如果前驱气体选择得当，沉积的微观结构是纳米颗粒状金属。此外，“打印”的产品的最终尺寸和结构由软件控制的工艺定义，并可以根据需要进行调整。

目前，利用以上方法所制造的大部分葡萄糖传感装置中，纳米颗粒隧道电阻式压力传感器位于形成腔室底部的膜的底部位置，该腔室上半部分被半透膜覆盖（图2）。当间质液中的葡萄糖浓度增加时，腔室中渗透压增加，从而导致压力膜的移动和拉伸，并进一步导致传感器元件的电阻率变化。这种传感技术允许渗透压腔室微型化到750 nL的体积，并可以将工作电压降低到100 mV。

图2 基于渗透压原理构建的葡萄糖传感装置示意图  

基于以上研究成果，并分别利用伴刀豆球蛋白A和葡聚糖作为葡萄糖结合分子和葡萄糖样配体，研究人员开发了一款基于纳米颗粒隧道电阻式压力传感器的微型化葡萄糖传感装置。将该微型化葡萄糖传感装置暴露于外部液体中，当传感装置周围液体中的动态葡萄糖浓度变化时，使用该微型化葡萄糖传感装置检测到的渗透压变化与使用基于压阻式压力传感器开发的较大的葡萄糖传感原型装置所检测到的结果相似（图3）。此外，该微型化葡萄糖传感装置对渗透压变化的检测具有良好的重复性，并且观察到的传感信号与上清液中变化的葡萄糖浓度之间存在线性关系。此外，该微型化葡萄糖传感装置的检测结果（图3B）表明，信噪比与压力膜的尺寸成正比，从而导致微型化传感装置的电流读数的波动更加明显。

图3 （A）使用压阻式（PR）压力传感器的葡萄糖传感原型装置的葡萄糖浓度检测结果；（B）使用纳米颗粒隧道电阻式（NTR）压力传感器的微型化葡萄糖传感原型装置的葡萄糖浓度检测结果  

综上所述，该研究通过使用尺寸在100 nm范围内的纳米颗粒隧道电阻式压力传感器取代传统的压阻式压力传感器，实现了基于渗透压原理的连续葡萄糖传感装置核心传感单元的微型化，以满足整个可注射装置的预期尺寸要求。此外，在具体的临床开发过程中，该核心传感单元的有线版本已被集成到小针头中，目前正在人类志愿者身上进行首次临床实验。

审核编辑：刘清