基于电化学阻抗谱的无电池植入式葡萄糖传感器
2023-10-29 09:30:52 来源：麦姆斯咨询 评论：0 点击：
研究人员提出一种基于电化学阻抗谱的血糖监测方法，研制出一种无电池植入式葡萄糖传感器，并通过实验证明了该设备用于准确评估血糖的潜在可行性。
糖尿病（DM）是一种以高血糖和新陈代谢改变为特征的慢性疾病。全球范围内，患有糖尿病的人数一直在持续增加，根据世界卫生组织（WHO）统计，2020年全球约有4.22亿人患有糖尿病。糖尿病被认为是第七大致死病因，改善治疗方法和控制血糖（BG）对于提高患者生活质量和预期寿命至关重要。近些来年，无需采血的精确连续血糖监测（CGM）技术彻底改变了糖尿病的管理。为了更好地提升患者生活质量，还需要继续研究开发能够在更长时间内进行血糖监测的新方法。
据麦姆斯咨询报道，近期，瑞典皇家理工学院（KTH Royal Institute of Technology）等机构的研究人员提出一种基于电化学阻抗谱的血糖监测方法，研制出一种无电池植入式葡萄糖传感器，并通过实验证明了该设备用于准确评估血糖的潜在可行性。相关研究成果以“A battery-less implantable glucose sensor based on electrical impedance spectroscopy”为题发表在Scientific Reports期刊上。
在这项研究工作中，研究人员设计制造了一种基于生物阻抗谱的无电池植入式葡萄糖传感器，并将其植入猪体内进行研究。在猪术后14天恢复期后，研究人员对从猪静脉葡萄糖耐量试验（IVGTT）获得的236个皮下生物阻抗测量值进行了分析，葡萄糖浓度范围在77.4 ~ 523.8 mg/dL之间。结果表明，通过皮下生物阻抗测量评估的葡萄糖浓度与血糖参考值密切相关。整个研究过程中，猪的临床健康状况良好，尸检结果也未发现与传感器相关的不良反应迹象。葡萄糖传感器的植入需要小手术。植入物由外部供电，原则上可以无限期使用。这些结果证明了生物阻抗技术未来用于连续血糖监测的巨大潜力。
图1 植入式生物阻抗谱系统
图2 （A）在猪体内植入葡萄糖传感器；（B）将装有阅读器的帆布袋缝在猪背部；（C）传感器在皮下所处位置及其移除
图3 （A）随时间测量的幅度谱和（B）测量的相位谱示例；（C）猪IVGTT期间血糖曲线示例；（D）基于生物阻抗测量评估的血糖值与参考血糖值
这项研究表明，植入皮下的生物阻抗传感器评估的血糖值与从商业血糖仪获得的参考血糖值密切相关，证明了生物阻抗技术未来用于连续血糖监测的潜力。这项研究所提出的基于生物阻抗的植入式葡萄糖传感器有两个主要优点：其装置组件不会随时间推移而发生显著退化，同时也不需要更换电池。原则上，这意味着只需要一个植入式传感器即可对患者进行终生的葡萄糖监测。然而，目前，仍有一些问题有待解决。
首先，血糖浓度变化产生阻抗变化的潜在生理机制还不明确。未来应着眼于研究组织特性变化与血糖水平相关的特定生理过程。了解这些机制将提高使用电化学阻抗谱评估葡萄糖的准确性和可靠性。其次，该植入式设备的长期使用安全性有待验证。该设备基于经过检验的生物相容性材料，在目前开展的实验中（最长44天），猪没有出现任何不良反应，但潜在的不良反应还需要更长时间去验证。第三，日常活动是否会对葡萄糖传感器造成影响，以及生物阻抗测量是否会随时间变化有待研究。已知电极系统的移动会干扰电化学阻抗测量。因此，周围组织和传感器表面之间的良好粘附至关重要。第四，该生物阻抗方法是否需要借助其他仪器进行频繁校准？未来需要研究该设备随时间推移的性能变化，并与市售连续血糖监测设备的参考血糖值进行对比，以确定必要的校准频率。最后，植入物的大小是否适用于人类使用？目前所提出的概念验证原型比较大，可能不适合人类植入。通过最小化其组件的体积，传感器的进一步小型化有望实现。
论文信息：https://doi.org/10.1038/s41598-023-45154-8
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