清華大學馮雪團隊Sci. Adv.：類皮膚柔性電子器件實現醫療級無創血糖監測

【引言】

糖尿病已經成為威脅現代人健康和生命的重大慢性疾病。2015年全球共有超過4億糖尿病患者，中國糖尿病患者人數超1億，位居全球首位。通過“扎手指”取血測量血糖的方法具有一定的疼痛感，影響糖尿病病人的生活質量和自我監測長期依從性。目前的無創連續血糖監測方法無法直接測量血液中葡萄糖，在準確性、便利性以及完全無創性等關鍵問題上仍未突破。

【成果簡介】

近日，來自清華大學的馮雪教授（通訊作者）等人在Sci. Adv.上發表了一篇關于無創血糖監測的文章，題為“Skin-like biosensor system via electrochemical channels for noninvasive blood glucose monitoring”。該工作利用類皮膚柔性傳感技術建立了新的無創血糖測量醫學方法，為解決無創血糖動態連續監測提供了一條新途徑，實現了醫學意義上在人體皮膚表面的無創血糖測量，并具有醫療級精度。相關內容被《科學進展》媒體團隊（Science Advances Press Package Team）推薦給《紐約時報》《華爾街日報》《經濟學人》等國際知名媒體。12月21日，國際電氣與電子工程師協會（IEEE）的旗艦出版物《科技縱覽》（IEEE Spectrum）對該論文率先進行了專題報道，來自普渡大學和青少年糖尿病研究基金會 （JDRF）的研究人員給予高度評價。

馮雪教授的研究團隊結合多年的可延展柔性電子器件研究經驗，發展了基于力學-化學耦合原理的電化學雙通道無創血糖測量方法，利用可以與人體自然共型貼附的柔性電子器件，對皮膚表面施加不會引起皮膚不良反應的電場，通過離子導入的方式改變組織液滲透壓，調控血液與組織液滲透和重吸收平衡關系，驅使血管中的葡萄糖按照設計路徑主動、定向地滲流到皮膚表面。基于力學原理在1.2微米厚的薄膜上制備了具有四層功能層的類皮膚生物傳感器。通過制備器件表面微結構實現了納米級厚度的電子介體電化學沉積，利用基于液體表面張力和蒸發毛細力的仿生液滴轉印方法，將多層超薄生物傳感器從制備基底上無損地剝離下來，實現整體厚度只有3.8微米的類皮膚柔性生物傳感器的制備。

【圖片導讀】

圖1 電化學雙通道測量原理與類皮膚柔性生物傳感器展示

（A）電化學雙通道測量原理示意圖

（B）柔性薄膜紙電池貼附在皮膚表面用于產生雙通道電場

（C）超薄柔性類皮膚多層生物傳感器結構示意圖

（D）雙電極選擇性電化學沉積的傳感器以及貼附在皮膚表面狀態

圖2 器件電化學和機械性能表征

（A）原始狀態金電極表面SEM和顯微鏡圖片

（B）具有表面納米結構的金電極表面SEM和顯微鏡圖片

（C）電化學沉積過程中由表面納米結構引發內流動示意圖以及流動、電沉積仿真

（D）原始狀態和表面納米結構金電極電沉積電流對比

（E）原始狀態和表面納米結構金電極電沉積普魯士藍后循環伏安掃描對比

（F）電化學阻抗譜掃描對比

（G）不同沉積時間（厚度）普魯士藍對同濃度過氧化氫溶液響應的對比

（H）在表面納米結構金電極沉積普魯士藍方式2個月后循環伏安對比

（I）原始狀態和表面納米結構金電極電沉積普魯士藍薄膜楊氏模量與硬度對比

圖3 仿生液滴轉印方法與葡萄糖溶液測量標定實驗

（A）仿生“ROSE”轉印過程

（B）轉印之后的蛇形電極圖案和叉指電極圖案器件

（C）轉印前后普魯士藍循環伏安掃描對比

（D-E）低濃度和中等濃度葡萄糖溶液標定實驗結果

（F）重復測量實驗結果

（E）其他物質干擾實驗結果

（H）溫度傳感器標定曲線

圖4 臨床實驗結果

（A）在電化學雙通道測量中紙電池貼附在皮膚表面

（B）傳感器貼附在皮膚表面測量葡萄糖響應曲線

（C）有無電化學雙通道過程皮膚表面葡萄糖測量結果對比

（D）目前指尖血和靜脈血的有創血糖測量方法

（E）1天之內每小時測量一次無創血糖測量與血糖儀測量結果對比

（F）5天連續測量無創血糖測量與血糖儀測量結果對比

（G）糖耐量實驗中無創血糖測量與靜脈血血糖測量結果對比

【小結】

這篇文章介紹了基于力學-化學耦合原理設計的電化學雙通道法，實現在皮膚表面施加電場的方式調控皮下組織液的滲透壓，無創地驅動血液中葡萄糖外流并被提取到皮膚表面，利用類皮膚柔性電子生物傳感器進行共型貼合和精準測量，實現了醫療級的血糖監測精度。該成果將無創血糖測量方法與類皮膚生物傳感器結合在一起，實現了力學、化學、材料、電子、醫學等多學科的交叉。同時，該研究為糖尿病患者實現無創連續血糖監測提供了一種新方法，為全球數以億計的糖尿病患者的治療與慢性疾病的管理帶來了福音。

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

【團隊介紹】

清華大學航天航空學院、清華大學柔性電子技術研究中心馮雪教授為該文章的通訊作者，博士生陳毅豪為第一作者。該課題在科技部973計劃項目、國家自然科學基金項目的資助下完成。

本文由清華大學馮雪教授課題組提供。

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