清华大学冯雪团队Sci. Adv.：类皮肤柔性电子器件实现医疗级无创血糖监测

【引言】

糖尿病已经成为威胁现代人健康和生命的重大慢性疾病。2015年全球共有超过4亿糖尿病患者，中国糖尿病患者人数超1亿，位居全球首位。通过“扎手指”取血测量血糖的方法具有一定的疼痛感，影响糖尿病病人的生活质量和自我监测长期依从性。目前的无创连续血糖监测方法无法直接测量血液中葡萄糖，在准确性、便利性以及完全无创性等关键问题上仍未突破。

【成果简介】

近日，来自清华大学的冯雪教授（通讯作者）等人在Sci. Adv.上发表了一篇关于无创血糖监测的文章，题为“Skin-like biosensor system via electrochemical channels for noninvasive blood glucose monitoring”。该工作利用类皮肤柔性传感技术建立了新的无创血糖测量医学方法，为解决无创血糖动态连续监测提供了一条新途径，实现了医学意义上在人体皮肤表面的无创血糖测量，并具有医疗级精度。相关内容被《科学进展》媒体团队（Science Advances Press Package Team）推荐给《纽约时报》《华尔街日报》《经济学人》等国际知名媒体。12月21日，国际电气与电子工程师协会（IEEE）的旗舰出版物《科技纵览》（IEEE Spectrum）对该论文率先进行了专题报道，来自普渡大学和青少年糖尿病研究基金会 （JDRF）的研究人员给予高度评价。

冯雪教授的研究团队结合多年的可延展柔性电子器件研究经验，发展了基于力学-化学耦合原理的电化学双通道无创血糖测量方法，利用可以与人体自然共型贴附的柔性电子器件，对皮肤表面施加不会引起皮肤不良反应的电场，通过离子导入的方式改变组织液渗透压，调控血液与组织液渗透和重吸收平衡关系，驱使血管中的葡萄糖按照设计路径主动、定向地渗流到皮肤表面。基于力学原理在1.2微米厚的薄膜上制备了具有四层功能层的类皮肤生物传感器。通过制备器件表面微结构实现了纳米级厚度的电子介体电化学沉积，利用基于液体表面张力和蒸发毛细力的仿生液滴转印方法，将多层超薄生物传感器从制备基底上无损地剥离下来，实现整体厚度只有3.8微米的类皮肤柔性生物传感器的制备。

【图片导读】

图1 电化学双通道测量原理与类皮肤柔性生物传感器展示

（A）电化学双通道测量原理示意图

（B）柔性薄膜纸电池贴附在皮肤表面用于产生双通道电场

（C）超薄柔性类皮肤多层生物传感器结构示意图

（D）双电极选择性电化学沉积的传感器以及贴附在皮肤表面状态

图2 器件电化学和机械性能表征

（A）原始状态金电极表面SEM和显微镜图片

（B）具有表面纳米结构的金电极表面SEM和显微镜图片

（C）电化学沉积过程中由表面纳米结构引发内流动示意图以及流动、电沉积仿真

（D）原始状态和表面纳米结构金电极电沉积电流对比

（E）原始状态和表面纳米结构金电极电沉积普鲁士蓝后循环伏安扫描对比

（F）电化学阻抗谱扫描对比

（G）不同沉积时间（厚度）普鲁士蓝对同浓度过氧化氢溶液响应的对比

（H）在表面纳米结构金电极沉积普鲁士蓝方式2个月后循环伏安对比

（I）原始状态和表面纳米结构金电极电沉积普鲁士蓝薄膜杨氏模量与硬度对比

图3 仿生液滴转印方法与葡萄糖溶液测量标定实验

（A）仿生“ROSE”转印过程

（B）转印之后的蛇形电极图案和叉指电极图案器件

（C）转印前后普鲁士蓝循环伏安扫描对比

（D-E）低浓度和中等浓度葡萄糖溶液标定实验结果

（F）重复测量实验结果

（E）其他物质干扰实验结果

（H）温度传感器标定曲线

图4 临床实验结果

（A）在电化学双通道测量中纸电池贴附在皮肤表面

（B）传感器贴附在皮肤表面测量葡萄糖响应曲线

（C）有无电化学双通道过程皮肤表面葡萄糖测量结果对比

（D）目前指尖血和静脉血的有创血糖测量方法

（E）1天之内每小时测量一次无创血糖测量与血糖仪测量结果对比

（F）5天连续测量无创血糖测量与血糖仪测量结果对比

（G）糖耐量实验中无创血糖测量与静脉血血糖测量结果对比

【小结】

这篇文章介绍了基于力学-化学耦合原理设计的电化学双通道法，实现在皮肤表面施加电场的方式调控皮下组织液的渗透压，无创地驱动血液中葡萄糖外流并被提取到皮肤表面，利用类皮肤柔性电子生物传感器进行共型贴合和精准测量，实现了医疗级的血糖监测精度。该成果将无创血糖测量方法与类皮肤生物传感器结合在一起，实现了力学、化学、材料、电子、医学等多学科的交叉。同时，该研究为糖尿病患者实现无创连续血糖监测提供了一种新方法，为全球数以亿计的糖尿病患者的治疗与慢性疾病的管理带来了福音。

文献链接：Skin-like biosensor system via electrochemical channels for noninvasive blood glucose monitoring (Sci. Adv., 2017, DOI:10.1126/sciadv.1701629)

【团队介绍】

清华大学航天航空学院、清华大学柔性电子技术研究中心冯雪教授为该文章的通讯作者，博士生陈毅豪为第一作者。该课题在科技部973计划项目、国家自然科学基金项目的资助下完成。

本文由清华大学冯雪教授课题组提供。

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