深圳大学张学记团队：用于生酮饮食管理的可穿戴垂直石墨烯微针生物传感器

生酮饮食在治疗慢性疾病方面引起了人们极大的兴趣，但长期的生酮饮食也存在健康风险。尽管现代医学在诊断和治疗方法上取得了进步，但在这种饮食策略的个性化健康管理方面仍存在巨大差距。因此，本研究提出了一种用于实时监测酮体和葡萄糖的可穿戴微针生物传感器。这种微针阵列具有出色的机械性能，可对间质生物标记物进行持续取样，同时减少皮肤穿刺带来的疼痛。垂直石墨烯具有出色的导电性，使传感器具有 234.18 μA mM-1cm-2的高灵敏度和 1.21 μM 的低检测限。将这种集成的生物传感器用于人体志愿者时，它在跟踪动态代谢物水平方面显示出了具有吸引力的分析能力。此外，评估结果与商业血液测量结果具有显著的相关性。总之，这种经济高效的传感平台有潜力促进生酮饮食在个人营养和健康管理中的广泛应用。

关键词：生酮饮食 酮体 微针生物传感器 间质生物标记物 垂直石墨烯

过去几十年来，随着全球肥胖人口的增加，低碳水化合物饮食应运而生。生酮饮食（KD）因其作为癫痫饮食疗法的成功而大受欢迎。它是一种高脂肪、低碳水化合物饮食，迫使人体燃烧脂肪作为能量来源并产生酮体。当人体在极低糖状态下无法通过消耗葡萄糖产生能量时，就会产生酮体。酮体是脂肪氧化代谢过程中的中间代谢产物，包括乙酰乙酸、β-羟基丁酸（HB）和丙酮。其中，HB 是生酮饮食中内源性产生的主要能量底物，目前已被广泛用于治疗各种健康指征，如癫痫发作、糖尿病、肥胖症、阿尔茨海默病、 及其他疾病。用于治疗癫痫和阿尔茨海默病的生酮饮食可能会导致低血糖症。对于糖尿病患者来说，酮体的过度积累可能会导致糖尿病酮症酸中毒，而这被定义为一种可能危及生命的疾病。

目前，测量酮体和葡萄糖水平的方法主要依靠穿刺手指反复定期采血，这会给患者带来心理和生理上的痛苦。无创酮体监测技术非常有吸引力，但大多数研究在建立与血液采样的可靠相关性方面面临挑战。间质液（ISF）是血液流经毛细血管时交换形成的一种体液，它与血清和血浆样本具有多种生物标志物。可以使用多种方法收集和分析 ISF，包括离子电泳法、声波电泳法、微透析法、微针法。在这些方法中，微针阵列提供了一种直接采集ISF的无痛方法。虽然一些研究已经证明了使用微针监测间质酮体水平的可行性，但大多数研究仅在体外研究中得到了证明。

迄今为止，电化学传感器因其灵敏度高、成本低、使用方便等优点，在生物标记物的监测和检测中得到了广泛应用。最近，石墨烯因其比表面积大、导电率高、化学稳定性好等优异特性而被广泛应用于传感器的构建中。垂直生长在基底上的石墨烯具有特别的特征，如非团聚的三维网状形态、大量开放的超薄边缘和可控结构。这些特征使得垂直石墨烯具有高电化学活性和导电率等惊人特性。

在这里，深圳大学张学记、许太林、刘轻舟课题组研发了一种基于微针的生物传感器，它能够实时监测间质酮和葡萄糖，可用于对保持生酮饮食的人进行主动健康管理。这种生物传感器由3D打印的微针和垂直石墨烯电极构成，可实现间质液标志物的双重检测。当微针按压并刺入皮肤后，空心微针阵列可持续收集 ISF，双分析电极则可对其进行检测。此外，还集成了一个最小的电化学分析仪，可通过无线数据传输与智能设备同步。这种集成的生物传感设备有助于促进生酮饮食在肥胖症、癫痫、糖尿病和阿尔茨海默病等疾病治疗中的应用。

相关工作以“Wearable Vertical Graphene-Based Microneedle Biosensor for Real Time Ketogenic Diet Management"为题发表在《Analytical Chemistry》。

图1. 微针生物传感器原理图及图像。(a)个性化生酮饮食管理的可穿戴传感平台概念。(b)可穿戴微针传感器示意图。该可穿戴传感器主要由微针阵列、粘附层、银层、垂直石墨烯、衬底和液腔组成。(c)可穿戴微针传感器的光学照片。(d) HB和葡萄糖传感电极的试剂配置。(e)安装在志愿者手臂上的集成的微针生物传感器图像。

垂直石墨烯具有三维六角蜂窝晶格结构，因此具有比表面积大、导电性好和化学稳定性好等优异特性，一直是可穿戴传感器研究人员的兴趣所在。在本研究中，研究团队选择垂直石墨烯作为电极材料，以提高生物传感器的电化学传感性能。

图2. 垂直石墨烯基生物传感器的表征与电化学性能。(a)垂直石墨烯电极的光学照片。(b)垂直石墨烯的顶部和(c)横切面SEM显微图。(d)垂直石墨烯的拉曼光谱。不同电极在pbs加标(e) 1.0 mM HB和(f) 5.0 mM葡萄糖下的循环伏安图。(g)基于HBD的生物传感条带对人工ISF中连续添加0.1 mM至1.0 mM的HB的时序电流响应以及插图中相应的校准图。(h)基于GOx的生物传感条带对人工ISF中不同葡萄糖浓度的电流响应，连续增加1mM。(i和j)可能干扰物质的选择性试验:100 μM抗坏血酸(AA)、100 μM尿酸(UA)、1.0 mM乳酸(LA)。(k) 0.1 mM HB和(l) 1.0 mM葡萄糖在ISF基质中间隔10分钟的操作稳定性评价。

微针技术作为是一种前景广阔的解决方案，能够有效地穿透皮肤角质层，从而增强透皮提取或药物输送的效率。重要的是，这些微针需要具备足够的强度，以承受插入和穿透皮肤时的力量。在可穿戴应用中，基于微针的设备引起的疼痛问题已经成为日常健康管理中的一个关键问题。影响疼痛程度的主要受微针长度的影响。以往的研究表明，当长度超过1000 μm时，微针引起的疼痛明显增加。因此，在这项研究中，微针的高度被优化为1000 μm，以最大限度地减轻应用于人体皮肤时的痛感。金字塔结构基于偏心通道设计，通过在中心保持坚固的支柱来增强微针抵抗力以便刺穿皮肤，微针的其他几何参数如图S3所示。研究团队利用摩方精密面投影微立体光刻（PμSL）3D打印技术（nanoArch® S140，精度：10 μm）成功制备了微针阵列，其尺寸为15.75 mm×15.75 mm。多个微针和单个微针的SEM图像如图3a和3b所示。

图3. 微针性能评价。(a)多个微针和(b)单个微针的SEM图像。(c和d)一个微针的结构模拟结果。(e)微针刺入新鲜猪皮后的图像。(f)空心微针阵列插入皮肤前后的完整率。(g-i)插入和取出微针贴片后参与者的皮肤照片。(j和k)流体分析模拟结果。(l)毛细作用下微针提取人工ISF的流量随时间分布。

本研究通过跟踪ISF中人体代谢物水平的变化，对基于微针的健康监测传感器的有效性进行了评估。用户佩戴配有电化学微工作站的微针传感器，并记录每30分钟(30、60、90和120分钟)摄入酮和葡萄糖补充剂之前(0分钟)和之后的电流响应。同时，将微针传感器测量的结果与市售血酮/血糖仪测量的数据进行比较，以建立生物传感器用于皮下检测的可靠性。结果表明，ISF样本与血液样本之间酮类分析和葡萄糖分析呈现较高的相关性。

图4. 微针生物传感器的身体性能。(a)身体测试过程示意图，参与者佩戴微针传感器并摄入商业酮或葡萄糖补充剂，电化学工作站进行酮和葡萄糖分析，这与血酮和葡萄糖水平相关。(b和c)分别记录酮葡萄糖补充前(0 min)和补充后(30、60、90和120 min)的相关浓度。(d) HB和(e)葡萄糖血液和ISF样本的相关性分析。(f和g)动态测量。

总结:综上所述，本研究提供了一种用于ISF双重检测的微创传感装置。作为传感器的关键部件，3d打印微针阵列具有优异的机械性能，不仅可以连续提取ISF标志物，还可以确保皮肤穿刺时的安全性。此外，电极的材料、几何形状和试剂配置都经过精心优化，以最大限度地提高生物传感器的分析性能。在这两种成分的协同作用下，生物传感器表现出优异的分析性能。在身体监测期间，研究团队记录受试者服用酮或葡萄糖补充剂前后的HB/葡萄糖水平，并将结果与血酮或葡萄糖水平进行比较。与血液测量的强相关性表明，本研究中开发的传感器有潜力作为测定代谢物水平的替代方法。通过集成电化学工作站，电化学传感器的信号可以通过无线传输技术发送到移动设备，这对于实现以患者为中心的远程监测具有重要意义。综上所述，本研究证明了开发用于生酮管理的微针生物传感器的可行性，促进了生酮饮食在个人医疗保健中的推广和发展。