北京大学崔悦课题组：3D打印微针生物传感器用于糖尿病的持续监测

糖尿病是一种流行慢性代谢性疾病，具有多种临床表现和并发症，是死亡的主要原因之一。连续血糖监测可加强糖尿病管理，通过及时了解血糖水平波动情况来调整治疗方案，可减少住院次数并节约医疗费用，减少无效药物的使用从而挽救生命。微针系统在糖尿病的持续和实时监测方面有着巨大的前景，其可在不触及痛点的情况下到达真皮，并且可以降低感染的可能性，有着更高的安全性。已有不少研究者开发出了用于糖尿病监测的微针生物传感器。然而，这些传感器的血糖检测范围仍然有限，这使得对血糖水平高的患者的监测不准确，且对实时的葡萄糖浓度的反映不够灵敏。此外，目前尚未有相关传感器将工作电极、参比电极和计数电极集成在同一芯片中。

近日，北京大学崔悦课题组首.次展示了集成微针生物传感装置对糖尿病的连续监测。该装置采用3D打印工艺、电镀工艺和酶固定化步骤制造。将该装置插入小鼠皮肤真皮层，对正常或糖尿病小鼠皮下葡萄糖水平的监测具有准确的传感性能。检测结果与商业血糖仪的检测结果水平相当。这项研究有望为糖尿病的监测和治疗提供有效的途径，同时也为皮下电子设备的基础研究开辟道路。相关研究结果以“Continuous monitoring of diabetes with an integrated microneedle biosensing device through 3D printing"为题发表于《Microsystems & Nanoengineering》。

图1 微针生物传感器件整体方案及材料表征。其中使用了不同设备打印了不同尺寸的锥形微针阵列，如图e, f所示。图e中的微针高度约为0.8 mm，底部直径为0.4 mm，间距为0.2 mm。（SprintRay Technology Ltd., China）图f中的微针高度约为0.5 mm，底部直径为0.1 mm，间距为0.4 mm。(nanoArch S140, 摩方精密)

该工作设计并使用面投影微立体光刻技术（nanoArch S140, 摩方精密；MoonRay, SprintRay Technology Ltd.）打印了9×9的微针阵列，单个微针的结构为锥形。微针阵列确保工作电极和皮肤之间有足够的接触面积，通过减小器件尺寸，形成稳定的传感器-皮肤界面。微针生物传感器采用双电极结构，包括普鲁士蓝涂层的Au工作电极和Ag/AgCl计数器/参比电极。每个电极占据一定的微针阵列，使用磁控溅射在微针表面镀上Au或Ag，Ag/AgCl层由Ag层的氯化作用得到，Au电极上的普鲁士蓝涂层采用电镀工艺制得。最后，将葡萄糖氧化酶固定在传感器的Au工作电极上。

整个传感器构建完成后，将微针插入小鼠皮肤真皮层。在皮下葡萄糖的存在下，工作电极上的酶促反应产生H₂O₂，从而产生电流信号响应。该生物传感装置在缓冲溶液、等离子体和模拟ISF中显示出可靠和稳定的葡萄糖检测，微加工和电化学镀步骤使传感器能够线性和灵敏地检测葡萄糖，且检测范围得到拓宽。进一步地，将传感器插入小鼠皮肤真皮层，传感器在小鼠进食或被注射胰岛素的情况下，能够准确地连续实时监测皮下葡萄糖水平。

图2 微针阵列传感器的制备工艺及其检测H₂O₂的性能。

图3 生物传感装置在不同环境下的选择性和稳定性。

图4 用生物传感装置对不同溶液中的葡萄糖进行体外传感。

图5 用生物传感装置对小鼠皮下葡萄糖进行体内监测。