新型纸基生物传感器通过体液实现无创血糖监测
2025-05-17 10:57:52 来源：麦姆斯咨询 评论：0 点击：
该研究引入了一种创新的、产芽孢微生物全细胞传感系统，用于血糖监测。该系统利用枯草芽孢杆菌芽孢在富钾环境中对葡萄糖产生响应并萌发，启动代谢活动，在纸基微生物燃料电池（MFC）中产生可测量的电信号。
这项新技术有望革新糖尿病管理，无需指尖采血即可无创监测人体血糖水平。
数百万糖尿病患者每日需通过指尖采血设备监测血糖，这类设备需要有创采集人体血液进行分析。但如果仅用生物传感器通过体液就能实现血糖监测吗？
据麦姆斯咨询报道，近期，美国宾汉姆顿大学（Binghamton University）的一项新研究正围绕纸基生物传感器展开，该研究有望通过消除指尖采血的痛苦和不便，从而彻底革新糖尿病管理方式。
纸基产芽孢微生物全细胞传感系统，用于血糖监测
宾汉姆顿大学Seokheun “Sean” Choi教授的生物电子和微系统实验室在过去15年里对生物电池的研究成果，助力新型纸基生物传感器系统的快速开发，该系统主要利用了枯草芽孢杆菌（Bacillus subtilis）的芽孢作为核心感知单元，这种细菌芽孢在富含钾离子的体液（例如汗液）中对葡萄糖产生响应并萌发，所产生的电能量用来反映葡萄糖的浓度水平。
上述相关研究成果以“Revolutionary self-powered transducing mechanism for long-lasting and stable glucose monitoring: achieving selective and sensitive bacterial endospore germination in microengineered paper-based platforms”为题，发表于Microsystems & Nanoengineering期刊上。该研究得到了美国国家科学基金会的两项资助。
在富含钾离子的人工汗液中，芽孢对葡萄糖产生响应并萌发
目前的血糖监测系统依赖于对血滴进行的酶促反应，但这类方法存在酶稳定性较差，不易运输和储存的问题。而采用细菌的自我复制特性则有助于上述新型纸基生物传感器系统的长效稳定性。
Seokheun “Sean” Choi说：“酶的本质缺陷在于易变性失活，需要将其储存在冰箱里，但即使这样，效力也会随着时间的推移而下降。我们的基于芽孢的纸基生物传感系统可在恶劣环境中保持稳定，仅在特定条件下会被激活。”
Yang “Lexi” Gao拥有海洋化学专业的本科和硕士学位，她曾参与过一个以纸为平台构建用于监测海水中铅离子的探测器项目，因此 Seokheun “Sean” Choi教授关于“纸电子学（papertronics）” 的研究与她的学术背景高度契合。她在Seokheun “Sean” Choi实验室的前期工作包括将生物电池集成到3D打印电路中，开发从空气中收集水分的装置，以及设计用于采集海洋数据的自供电装置。
纸基微生物燃料电池（MFC）葡萄糖传感器的制造、配置和操作
基于纸基微生物燃料电池的葡萄糖传感器与便携式读出接口的集成，可用于可穿戴设备
Yang “Lexi” Gao表示：“我想通过研究让世界变得更美好——这是一个宏大的愿景！我知道能源危机是当下的主要问题，所以利用细菌发电是很有意义的。该技术清洁又可持续，而且由于采用纸基材料且可一次性使用，既便捷成本又低廉。我的化学背景帮助我们对这些设备进行了大量改进，这真的让我很兴奋。”
在与Anwar Elhadad合作开发血糖监测设备的过程中，Yang “Lexi” Gao获得了深入学习更多电气工程知识的机会。她说：“Anwar Elhadad不仅构建了这些电路，还让我参与其中——他会讲解每个元件的功能、工作原理及连接方式。目前我也通过网络课程学习电路设计，这样我就可以自己动手搭建电路了，毕竟不能一直依赖别人。”
Seokheun “Sean” Choi说：“每个人的汗液中钾离子的浓度存在差异，我们尚不清楚这种浓度如何影响葡萄糖监测结果。此外，目前的灵敏度也低于传统的酶生物传感器。但通过这项研究，我们开创了一种全新的无创血糖监测机制。这是此前从未有人实现过的突破。”
综上所述，为了解决各种限制，该研究引入了一种创新的、产芽孢微生物全细胞传感系统，用于血糖监测。该系统利用枯草芽孢杆菌芽孢在富钾环境中对葡萄糖产生响应并萌发，启动代谢活动，在纸基微生物燃料电池（MFC）中产生可测量的电信号。这种方法通过休眠芽孢状态延长了保质期，并通过细菌在萌发后的自我复制特性确保了稳定性。
尽管面临萌发缓慢和钾离子浓度影响实际应用的挑战，但该产芽孢微生物全细胞传感策略提供了一种经济高效、稳定且可持续的无创血糖监测替代方案。该方法不仅解决了现有技术的关键限制，还为先进的生物传感应用奠定了基础，为该领域未来的创新提供了巨大的潜力。
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