采用納米技術(shù)實現(xiàn)連續(xù)腹腔和皮下葡萄糖監(jiān)測傳感裝置的微型化

據(jù)麥姆斯咨詢報道，近期，來自挪威Lifecare公司和德國法蘭克福大學(xué)（Goethe-Universit?t）的研究人員開發(fā)了一款基于滲透壓原理的微型化葡萄糖傳感裝置。為了實現(xiàn)整體裝置的微型化，這項研究工作使用納米顆粒隧道電阻式（NTR）壓力傳感器（腔室容積為750 nL）取代傳統(tǒng)的壓阻式（PR）壓力傳感器（腔室容積為70 μL），從而成功地將核心傳感單元的滲透壓腔室的尺寸縮小了95%以上。相關(guān)研究成果以“Miniaturization of an Osmotic Pressure-Based Glucose Sensor for Continuous Intraperitoneal and Subcutaneous Glucose Monitoring by Means of Nanotechnology”為題發(fā)表在Sensors期刊上。

葡萄糖水平的檢測是依賴胰島素進行治療的糖尿病患者的多項日常程序的一部分。在葡萄糖水平檢測結(jié)果的基礎(chǔ)上，全世界每天會產(chǎn)生數(shù)百萬個針對糖尿病患者的治療決策（例如注射胰島素的劑量），這些決策可能對患者的短期和長期健康產(chǎn)生影響。

目前，除了離散型葡萄糖檢測系統(tǒng)，各種連續(xù)葡萄糖監(jiān)測（CGM）系統(tǒng)已在過去二十年中逐漸發(fā)展起來。連續(xù)葡萄糖監(jiān)測系統(tǒng)是基于葡萄糖氧化酶檢測技術(shù)，通過針式傳感器檢測皮下組織間質(zhì)液中的葡萄糖水平的裝置。通常，連續(xù)葡萄糖監(jiān)測系統(tǒng)每五分鐘提供一次檢測結(jié)果，并將結(jié)果傳輸?shù)绞殖纸邮赵O(shè)備或智能手機上。

第一款連續(xù)葡萄糖監(jiān)測裝置是由美敦力在千禧年之初推出的MiniMed。它被證實可以實現(xiàn)為期3天的連續(xù)葡萄糖監(jiān)測，但是需要每天進行多次校準(zhǔn)才能達到可接受的精度。當(dāng)前，連續(xù)葡萄糖監(jiān)測技術(shù)已經(jīng)得到了巨大的進步，更好的檢測精度和更長的使用時間使得基于針式傳感器的連續(xù)葡萄糖監(jiān)測系統(tǒng)成為所有1型糖尿病患者以及許多2型糖尿病患者經(jīng)常使用的糖尿病診斷工具。

然而，目前的連續(xù)葡萄糖監(jiān)測傳感系統(tǒng)需要每10 ~ 14天更換一次針式傳感器，并且存在干擾和準(zhǔn)確性問題。因此，醫(yī)學(xué)上仍然需要開發(fā)具有改進的檢測性能的小型葡萄糖傳感器。理想情況下，這種傳感器可以植入人體，并可以長時間使用。此外，開發(fā)的傳感器應(yīng)具有經(jīng)濟適用性，并且不應(yīng)該對環(huán)境產(chǎn)生重大影響，因為使用當(dāng)前的連續(xù)葡萄糖監(jiān)測系統(tǒng)會產(chǎn)生大量（塑料）廢棄物。

目前，Sencell（Lifecare AS，卑爾根，挪威）的開發(fā)為實現(xiàn)這一目標(biāo)提供了一種可能性。Sencell是一種采用無線能源和數(shù)據(jù)傳輸?shù)男⌒椭踩胧狡咸烟莻鞲醒b置。該葡萄糖傳感裝置利用由裝置外部間質(zhì)液中葡萄糖濃度的增加和減少引起的封閉腔室內(nèi)滲透壓的變化來進行人體血糖水平的估計。

該葡萄糖傳感裝置所采用的底層的滲透壓技術(shù)是由Johannesen等人在十年前提出的。簡而言之，封閉的傳感器腔室中存在具有大量葡萄糖結(jié)合分子（GBM）和葡萄糖樣配體（GL）的活性流體，將腔室暴露在不同葡萄糖濃度的外部液體中時，能夠產(chǎn)生可檢測的滲透壓信號。在不含葡萄糖的溶液中，由于葡萄糖樣配體在葡萄糖特異性結(jié)合位點與葡萄糖結(jié)合分子靜電結(jié)合，葡萄糖結(jié)合分子和葡萄糖樣配體形成復(fù)合物。

當(dāng)葡萄糖穿過半透膜進入腔室時，葡萄糖樣配體將從葡萄糖結(jié)合分子的結(jié)合位點脫落，因為葡萄糖對葡萄糖結(jié)合分子受體的結(jié)合親和力略高。隨后，每一個從葡萄糖結(jié)合分子-葡萄糖樣配體復(fù)合體中釋放出來的葡萄糖樣配體分子都提高了腔內(nèi)的滲透壓。

這個反應(yīng)是完全可逆的，因此，外部葡萄糖濃度的降低可以使葡萄糖分子離開葡萄糖結(jié)合分子的結(jié)合位點，這使得葡萄糖結(jié)合分子和葡萄糖樣配體重新結(jié)合，從而使得滲透壓下降。此外，外部液體中的葡萄糖濃度與腔室內(nèi)可檢測的滲透壓之間存在線性關(guān)系。而且所描述的可逆親和反應(yīng)在產(chǎn)生信號時不消耗任何分子，從而為該傳感裝置在體內(nèi)的長期使用提供了可能性。

在過去的幾年里，基于這種傳感原理的有線體外葡萄糖傳感原型裝置已經(jīng)被開發(fā)出來。目前，最新開發(fā)的葡萄糖傳感原型裝置使用最小的商用壓阻式壓力傳感器來檢測葡萄糖誘導(dǎo)的滲透壓變化，其腔室容積為70 μL（圖1）。

圖1 使用壓阻式（PR）壓力傳感器的臨床前體外葡萄糖傳感原型裝置（圖中上半部分）和采用納米級納米顆粒隧道電阻式（NTR）壓力傳感器的微型化核心傳感單元（圖中下半部分） ?

然而，這種葡萄糖傳感原型裝置需要進一步微型化才能在臨床上使用。但是，采用傳統(tǒng)的技術(shù)無法進一步縮小該傳感裝置的腔室的尺寸，因為傳統(tǒng)（壓阻式）壓力傳感器無法在進一步微型化的同時保持必要的壓力傳感靈敏度。因此，需要一種新的檢測原理。

2016年，Dukic等人發(fā)表了一篇關(guān)于納米級尺寸的壓敏元件（納米顆粒隧道電阻式壓力傳感器）的制造工藝和理化性質(zhì)的報告。該傳感器采用直接寫入技術(shù)，并通過聚焦電子束誘導(dǎo)沉積（FEBID）法構(gòu)建。簡而言之，首先，在電子顯微鏡中引入氣體注入系統(tǒng)；隨后，將電子束定向到預(yù)定的傳感器位置；接著，從側(cè)面將金屬有機前驅(qū)體氣流引導(dǎo)到同一位置；最后，在電子束的焦點中，先前吸附的金屬有機前體分子被解離，導(dǎo)致永久沉積。在此過程中，如果前驅(qū)氣體選擇得當(dāng)，沉積的微觀結(jié)構(gòu)是納米顆粒狀金屬。此外，“打印”的產(chǎn)品的最終尺寸和結(jié)構(gòu)由軟件控制的工藝定義，并可以根據(jù)需要進行調(diào)整。

目前，利用以上方法所制造的大部分葡萄糖傳感裝置中，納米顆粒隧道電阻式壓力傳感器位于形成腔室底部的膜的底部位置，該腔室上半部分被半透膜覆蓋（圖2）。當(dāng)間質(zhì)液中的葡萄糖濃度增加時，腔室中滲透壓增加，從而導(dǎo)致壓力膜的移動和拉伸，并進一步導(dǎo)致傳感器元件的電阻率變化。這種傳感技術(shù)允許滲透壓腔室微型化到750 nL的體積，并可以將工作電壓降低到100 mV。

圖2 基于滲透壓原理構(gòu)建的葡萄糖傳感裝置示意圖 ?

基于以上研究成果，并分別利用伴刀豆球蛋白A和葡聚糖作為葡萄糖結(jié)合分子和葡萄糖樣配體，研究人員開發(fā)了一款基于納米顆粒隧道電阻式壓力傳感器的微型化葡萄糖傳感裝置。將該微型化葡萄糖傳感裝置暴露于外部液體中，當(dāng)傳感裝置周圍液體中的動態(tài)葡萄糖濃度變化時，使用該微型化葡萄糖傳感裝置檢測到的滲透壓變化與使用基于壓阻式壓力傳感器開發(fā)的較大的葡萄糖傳感原型裝置所檢測到的結(jié)果相似（圖3）。此外，該微型化葡萄糖傳感裝置對滲透壓變化的檢測具有良好的重復(fù)性，并且觀察到的傳感信號與上清液中變化的葡萄糖濃度之間存在線性關(guān)系。此外，該微型化葡萄糖傳感裝置的檢測結(jié)果（圖3B）表明，信噪比與壓力膜的尺寸成正比，從而導(dǎo)致微型化傳感裝置的電流讀數(shù)的波動更加明顯。

圖3 （A）使用壓阻式（PR）壓力傳感器的葡萄糖傳感原型裝置的葡萄糖濃度檢測結(jié)果；（B）使用納米顆粒隧道電阻式（NTR）壓力傳感器的微型化葡萄糖傳感原型裝置的葡萄糖濃度檢測結(jié)果 ?

綜上所述，該研究通過使用尺寸在100 nm范圍內(nèi)的納米顆粒隧道電阻式壓力傳感器取代傳統(tǒng)的壓阻式壓力傳感器，實現(xiàn)了基于滲透壓原理的連續(xù)葡萄糖傳感裝置核心傳感單元的微型化，以滿足整個可注射裝置的預(yù)期尺寸要求。此外，在具體的臨床開發(fā)過程中，該核心傳感單元的有線版本已被集成到小針頭中，目前正在人類志愿者身上進行首次臨床實驗。

審核編輯：劉清