細(xì)胞間液pH對(duì)于反離子電滲透皮提取葡萄糖通量的影響研究

隨著生活水平的提高，全球糖尿病人數(shù)不斷增加，到2045年預(yù)計(jì)將達(dá)到6.93億。傳統(tǒng)的指尖血糖儀是有限次測(cè)量，無(wú)法持續(xù)追蹤血糖水平的變化趨勢(shì)，而且頻繁的針刺式檢測(cè)給患者帶來(lái)痛苦和不便。相比之下，基于汗液、唾液、眼淚和細(xì)胞間液（ISF）等生物體液的微創(chuàng)連續(xù)血糖監(jiān)測(cè)（CGM）成為一種有希望的替代方案，能提供實(shí)時(shí)準(zhǔn)確的血糖水平信息。基于皮下植入式電極的CGM已經(jīng)商業(yè)化，如Guardian Connect、Freestyle Libre 3和Dexcom G7，可以實(shí)時(shí)測(cè)量糖尿病患者的ISF葡萄糖水平，并用于血糖跟蹤。然而，植入式CGM的微針易斷裂、成本高，長(zhǎng)期使用可能引發(fā)疼痛、出血和炎癥，且測(cè)量精度會(huì)隨著時(shí)間逐漸降低，因此，臨床推廣一直較為困難。

與皮下植入式CGM相比，以反離子電滲（reverse iontophoresis，RI）為代表的透皮提取技術(shù)通過(guò)表皮提取ISF葡萄糖進(jìn)而實(shí)現(xiàn)血糖監(jiān)測(cè)，這種方法具有無(wú)痛、不引起感染、器件易于小型化的特點(diǎn)，適用于穿戴式的表皮生理信息監(jiān)測(cè)，是一種非常有潛力的血糖監(jiān)測(cè)手段。在RI提取過(guò)程中，溫度、施加電流的密度和皮下ISF的pH值往往是影響葡萄糖提取量的關(guān)鍵因素。目前已有研究對(duì)溫度和電流密度的影響進(jìn)行了校準(zhǔn)，然而，關(guān)于pH值對(duì)RI透皮提取葡萄糖通量的影響機(jī)制尚不清楚。此外，個(gè)體差異或者運(yùn)動(dòng)等引起的微小pH值變化可能會(huì)對(duì)表皮葡萄糖檢測(cè)的準(zhǔn)確性產(chǎn)生影響，需要進(jìn)一步校準(zhǔn)。

針對(duì)上述問題，該論文研究了pH值對(duì)基于反離子電滲法透皮提取葡萄糖通量的影響，探究了pH影響葡萄糖提取通量的機(jī)制。不同pH條件下的建模和數(shù)值仿真表明，pH通過(guò)改變Zeta電位從而改變葡萄糖提取的方向和通量。同時(shí)，該研究制備了一種集成RI提取電極的葡萄糖生物傳感器，用于實(shí)現(xiàn)ISF提取和葡萄糖同步監(jiān)測(cè)。通過(guò)使用0 ~ 20 mM不同皮下葡萄糖濃度進(jìn)行提取實(shí)驗(yàn)，證明了ISF提取和葡萄糖檢測(cè)裝置的準(zhǔn)確性和穩(wěn)定性。不同ISF pH值的提取結(jié)果表明，在5 mM和10 mM皮下葡萄糖濃度下，每增加1個(gè)pH單位，提取的葡萄糖濃度分別增加了0.08212 mM和0.14639 mM。此外，5 mM和10 mM葡萄糖的歸一化結(jié)果有良好的線性相關(guān)性，表明在用于校準(zhǔn)葡萄糖監(jiān)測(cè)的血糖預(yù)測(cè)模型中加入pH校正因子具有較大潛力。

理論分析和仿真

該研究首先從理論上分析了pH值對(duì)葡萄糖提取通量的影響機(jī)理。然后利用COMSOL軟件在不同pH值條件下進(jìn)行了初步建模和數(shù)值仿真。具體而言，葡萄糖的電滲透轉(zhuǎn)運(yùn)可以通過(guò)改變LVE值來(lái)改變膜的透過(guò)選擇性，從而改變葡萄糖的滲透通量，這一值是和pH有關(guān)的參數(shù)。人體皮膚的等電點(diǎn)在4 ~ 4.5之間。高于這個(gè)值，皮膚層蛋白質(zhì)的羧酸基團(tuán)會(huì)釋放質(zhì)子并帶負(fù)電，而低于這個(gè)值則帶正電。皮下ISF的pH值高于此值，因此，皮膚在生理pH值下帶負(fù)電荷。皮膚帶電荷的數(shù)量可以隨著pH的變化而改變，這改變了皮膚雙電層中的Zeta電位，進(jìn)而改變RI提取葡萄糖電滲流速度，從而影響葡萄糖的提取通量。

圖1D為葡萄糖提取的仿真模型，數(shù)值仿真過(guò)程涉及電場(chǎng)和稀物質(zhì)傳遞的耦合。圖1E-1G仿真結(jié)果表明，當(dāng)模擬ISF的pH低于人體皮膚的等電點(diǎn)時(shí)，Zeta電位為正，因此葡萄糖在陽(yáng)極積聚（圖1E）。然而在pH等于等電點(diǎn)的情況下，皮膚是電中性的，因此葡萄糖主要通過(guò)被動(dòng)擴(kuò)散進(jìn)行傳輸（圖1F）。如圖1G所示，在正常生理?xiàng)l件下，pH大于等電點(diǎn)，導(dǎo)致Zeta電位為負(fù)，將葡萄糖向陰極驅(qū)動(dòng)。理論分析和仿真表明，pH的變化會(huì)顯著影響葡萄糖的提取通量甚至改變其方向，因此需探究其影響并進(jìn)行校準(zhǔn)。

圖1 pH值影響ISF透皮提取和葡萄糖檢測(cè)原理和仿真

表皮葡萄糖傳感器的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與制備

圖2為所制備的葡萄糖傳感器的結(jié)構(gòu)圖。提取過(guò)程由外部電源提供動(dòng)力，提取電極之間的電場(chǎng)產(chǎn)生電流從而流過(guò)皮下組織和內(nèi)部傳感器。因此，皮下ISF中的葡萄糖和其他帶電離子沿著這條路徑被提取到皮膚表面。在RI提取過(guò)程中施加的電壓可能會(huì)使一些中性粒子帶電，從而干擾后續(xù)葡萄糖檢測(cè)產(chǎn)生的安培電流。為解決這個(gè)問題，所制備的傳感器為對(duì)稱結(jié)構(gòu)，以減小傳感器表面帶電離子分布不均所造成的誤差。此外，提取電極和葡萄糖傳感器形成了嵌套結(jié)構(gòu)以形成更有效的利用空間。所有電極都被Nafion水凝膠包覆和連接，這實(shí)現(xiàn)了葡萄糖的原位檢測(cè)，減少了由于ISF傳輸引起的干擾。采用絲網(wǎng)印刷的工藝加工并制備表皮葡萄糖傳感器，如圖3所示。

圖2 表皮葡萄糖傳感器的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)



圖3 表皮葡萄糖傳感器的加工工藝

表皮葡萄糖傳感器的性能表征

如圖4E所示，PB層的引入使得CV曲線的氧化峰電位降低，從而減小干擾電流；圖4G表明PtNPs/PB修飾的碳工作電極的靈敏度比單一碳電極提高了約6.8倍，更利于低濃度葡萄糖檢測(cè)。葡萄糖傳感器的靈敏度為519.11 nA/mM（圖4I）；通過(guò)在PBS中加入鈉離子，氯離子多巴胺等干擾物質(zhì)，發(fā)現(xiàn)葡萄糖傳感器只有加入葡萄糖時(shí)才會(huì)產(chǎn)生較為明顯的響應(yīng)電流（圖4J）。60°和90°彎曲后的傳感器的CV和i-t結(jié)果表明，所制備傳感器具有較好的機(jī)械性能，滿足柔性可穿戴需求（圖4L、4M）。

圖4 表皮葡萄糖傳感器的性能表征

不同濃度和不同pH值的提取表征

如圖5B所示，在葡萄糖傳感器進(jìn)行i-t測(cè)試之前，先對(duì)其進(jìn)行10次CV掃描以穩(wěn)定電極，取i-t曲線100 s時(shí)的穩(wěn)態(tài)電流作為測(cè)試結(jié)果。如圖5C所示，連續(xù)提取6次，葡萄糖的響應(yīng)電流隨著提取次數(shù)的增加而增加，圖5D的擬合結(jié)果表明提取的葡萄糖濃度和提取次數(shù)呈線性關(guān)系，隨著皮下ISF葡萄糖濃度的增加，提取的葡萄糖濃度與RI提取次數(shù)的擬合斜率增加，表明ISF提取和葡萄糖檢測(cè)系統(tǒng)用于實(shí)時(shí)累積葡萄糖測(cè)量的有效性。為了研究ISF pH對(duì)葡萄糖提取通量的影響，在pH為6.5、6.9、7.3、7.7、8.1和8.5的Tris-HCl緩沖液中制備含有140 mM NaCl的葡萄糖溶液。

為了減少或消除葡萄糖濃度差異造成的干擾，文章選取5 mM（正常）和10 mM（糖尿?。┠MISF溶液進(jìn)行不同pH值的提取實(shí)驗(yàn)。如圖5G所示，提取葡萄糖濃度隨著pH值顯著增加。各pH值下提取葡萄糖濃度與提取葡萄糖次數(shù)的擬合曲線表現(xiàn)出良好的線性相關(guān)性。當(dāng)皮下葡萄糖濃度為10 mM時(shí)（圖5H），在6.5 ~ 8.5的pH梯度下，提取的葡萄糖濃度明顯大于5 mM葡萄糖時(shí)提取的葡萄糖濃度。圖5I給出了不同葡萄糖濃度和不同ISF pH值下，響應(yīng)電流隨RI提取次數(shù)的斜率。這證實(shí)了在人體正常pH值6.5 ~ 8.5范圍內(nèi)增加pH值會(huì)導(dǎo)致葡萄糖提取量增加。這些結(jié)果表明，通過(guò)改變pH可以改變皮膚表面的zeta電位，從而影響葡萄糖的電滲流，這與之前的理論研究一致。

圖5 不同濃度和不同pH值下ISF葡萄糖的提取結(jié)果

不同濃度和不同pH值的歸一化結(jié)果

如圖6A所示，提取葡萄糖濃度與皮下ISF葡萄糖濃度的擬合斜率為0.00968，相關(guān)系數(shù)為0.99946。為了表征該系統(tǒng)檢測(cè)皮下葡萄糖濃度的準(zhǔn)確性，對(duì)3 mM ~ 18 mM以3 mM為梯度的葡萄糖溶液進(jìn)行了提取檢測(cè)（圖6B）。預(yù)測(cè)的皮下ISF葡萄糖濃度取自圖6A的線性擬合，結(jié)果表明預(yù)測(cè)葡萄糖濃度與實(shí)際葡萄糖濃度之間具有高度一致性，斜率和線性相關(guān)系數(shù)分別為1.19309（接近1）和0.98587。因此，所制備的葡萄糖傳感器滿足不同pH值下的RI提取和葡萄糖檢測(cè)的要求。不同ISF pH值的提取結(jié)果表明，在5 mM和10 mM皮下葡萄糖濃度下，每增加1個(gè)pH單位，提取的葡萄糖濃度分別增加了0.08212 mM和0.14639 mM。此外，5 mM和10 mM葡萄糖濃度的歸一化結(jié)果顯示出線性相關(guān)性，這表明在用血糖預(yù)測(cè)模型中納入pH校正因子具有較大潛力。

圖6 不同濃度和不同pH值下的歸一化結(jié)果

該研究成果于近期以“Effect of interstitial fluid pH on transdermal glucose extraction by reverse iontophoresis”為題在線發(fā)表在傳感器領(lǐng)域頂刊Biosensors and Bioelectronics上，蒲治華副研究員為本文的通訊作者，在讀碩士生朱旺旺為第一作者。

審核編輯：劉清