天津大学黄显教授团队 Sci. Adv.：具有自我补偿能力的全印制生物可吸收电化学设备用于连续皮下葡萄糖监测
在一定时间内可以通过材料水解、酶辅助降解、和组织吸收而消失的生物可吸收植入式器件为避免植入器件的二次取出、降低相关炎症反应提供了全新的解决途径。尽管这些生物可吸收电子器件在物理信号感测方面表现出理想的性能和能力，但对于化学传感来说，开发完全生物可吸收的器件仍然极具挑战性，直接将传感器暴露于各种干扰性生物分子的水溶液环境中的需求与保护器件免受液体和离子侵蚀的要求相冲突。
近期,天津大学精仪学院黄显教授团队基于生物可吸收材料的电偶耦合实现稳定的电极电势和准确的电化学检测的机制开发了一种具有自我补偿能力的全印制生物可吸收电化学设备用于连续皮下葡萄糖监测。电化学传感器包含锌（Zn）工作电极（Working Electrode，WE）、钼（Mo）对电极（Counter Electrode，CE）和钼-钨（Mo-W）参比电极（Reference Electrode，RE）。此外，材料降解的负面影响可以通过由Zn牺牲电极（Sacrificial Electrode，SE）、温度传感器、和溶解氧（Dissolved Oxygen，DO）传感器构成的自我补偿校正模块进行补偿（图1）。
图1生物可吸收电化学设备示意图
该系统在葡萄糖传感方面具有0~25 mM的检测范围、0.2458 μA/mM的灵敏度、优秀的选择性和特异性、以及良好的可逆性和机械稳定性（图2A~D）；溶解氧传感器在饱和度0~180%区间内展现了R2为0.98的线性关系，并具有为0.0812 μA/%的灵敏度，与商业溶解氧传感器具有良好的一致性（图2E、F）；温度传感器在25~50°C范围内具备0.16 %/°C的电阻温度系数、17.5 mV/°C的灵敏度、以及良好的可逆性，并且在连续的温度测试中与Pt基商业温度传感器保持良好的一致性（图2H、I）。
图2 生物可吸收传感器的性能表征
此外，通过细胞毒性测试（图3A、B）、体内降解测试（图3C、D）、大鼠体重追踪（图3E）、大鼠血常规检测（图3F）、大鼠血液生化检测（图3G）、以及组织病理学检查的综合评估（图3H），证明了生物可吸收电化学设备极佳的生物相容性。
图3 生物相容性能表征
该系统可以实现连续五天的皮下葡萄糖实时监测。首先是葡萄糖耐量试验模型（Oral Glucose Tolerance Test，OGTT）。大鼠在实验的前一天进行24小时的禁食，并分别在第1、3、5天向将大鼠近端空肠内注入5%的葡萄糖溶液。第一天测试期间葡萄糖传感器电流响应在最初的35分钟内从4.36 μA平稳上升至5.21 μA，相应的葡萄糖浓度从5.95 mM增加到9.15 mM，在后续的90分钟内电流响应下降至4.44 μA，相应的葡萄糖浓度下降至6.44 mM/L，葡萄糖浓度的波动与商业血糖仪的离散测量结果一致，符合健康大鼠的正常生理反应。OGTT的电流响应在第三天和第五天分别衰减至第一天的72.76%和34.91%，但在实验过程中电流的变化趋势与第一天相似（图4A~D）。其次是1型糖尿病大鼠模型。生物可吸收电化学系统实时监测1型糖尿病大鼠注射胰岛素前后的生理反应变化。整个过程可以分为血糖快速下降和缓慢下降两个阶段。第一天注射胰岛素后，电流响应在90分钟内迅速从9.06 μA降至5.28 μA，并随后50分钟内缓慢下降到稳定的5 μA，第3天和第5天的重复实验显示了相似的电流响应变化趋势（图4E~H）。
图4 OGTT模型和1型糖尿病模型的大鼠在体测试
该工作是团队近期关于生物可吸收电子器件的最新进展之一。电化学传感器一直是生物可吸收电子器件难点问题，直接将传感器暴露于各种干扰性生物分子的水溶液环境中的需求与保护器件免受液体和离子侵蚀的要求相冲突。为此团队基于生物可吸收材料的电偶耦合实现稳定的电极电势和准确的电化学检测的机制开发了一种具有自我补偿能力的全印制生物可吸收电化学设备用于连续皮下葡萄糖监测。该系统利用多种生物可吸收导电油墨，展示了使用丝网印刷和低温水烧结技术实现规模制造可生物吸收电化学器件的可能性，同时它是首个能够实现植入式血糖监测且具有低组织刺激和感染风险的全生物可吸收电化学系统之一。本研究所提出的理论和机制可能会推动全面生物可吸收电化学测试系统和多种传感器的开发，从而彻底改变慢性疾病的诊断和治疗。
原文链接：https://www.science.org/doi/10.1126/sciadv.adi3839
