用于连续血糖监测的渗透驱动排汗可穿戴平台
2025-05-24 13:51:08   来源：麦姆斯咨询   评论：0   点击：

糖尿病已成为一个主要的全球健康问题，据报道，目前全球有近4.5亿人口（全球人口的5%）受其影响。糖尿病诊断的目标生物标志物包括葡萄糖和糖化血红蛋白（HbA1c），长期以来，血液一直被用作量化它们的主要生物流体。然而，长期频繁采血并非良策。

过去十年来，研究人员积极探索了其它生物流体（例如间质液、唾液、泪液、汗液）中的葡萄糖水平并取得了重大进展。其中，间质液已被证明是血糖（BG）估算的最佳候选者，因为它与毛细血管非常接近，并且间质液中的葡萄糖浓度与血糖浓度具有良好的相关性。然而，尽管间质液是一个合适的候选者，但只有使用微针或反向离子电渗疗法（RI）的采样技术才能实现对间质液的有效检测。

市售的连续血糖监测传感器（CGM）也依赖基于微针的尖端感测来估算动态血糖水平。这种微创传感器是完全集成的系统，可以连续监测葡萄糖长达14天。但连续血糖监测传感器通常使用成本较高，并且依赖于先进的制造策略。基于反向离子电渗疗法的间质液葡萄糖传感则涉及驱动电流通过皮肤表面，这可能导致皮肤刺激。因此，仍然有必要继续探索其它生物流体中的连续葡萄糖监测技术。

通过汗液进行葡萄糖监测有潜力解决上述挑战，因为汗腺在整个人体中广泛分布，它是多种生物标志物的丰富储存库，很容易通过升高核心体温在皮肤表面获取汗液。然而，由于葡萄糖在汗液中以亚毫摩尔水平存在，在高出汗率下对其进行监测并不可行（由于稀释和与血液的相关性误差），从分析和工程设计的角度来看，在低出汗率下进行监测仍然具有挑战性。

自2010年中期以来，基于汗液的电化学葡萄糖生物传感器得到了积极研究。多年来，该领域在持续可穿戴系统方面取得了显著进展。这些系统可以通过运动或化学诱导的汗液来进行检测。然而，这些技术获得的汗液葡萄糖浓度与血糖之间的相关性还没有定论。为了解决相关问题，有研究引入了水凝胶作为处理微量汗液的潜在工具。然而，这些技术仅生成周期性读数，无法跟踪动态血糖波动。因此，仍然迫切需要一种基于汗液的动态血糖监测（SCGM）平台，能够在休息时工作，并解决上述所有限制。

据麦姆斯咨询介绍，加州大学圣地亚哥分校的研究人员开发了一种可穿戴SCGM平台，该平台协同利用渗透作用来增强汗液提取（除了自然排汗），利用毛细管效应进行汗液运输和管理，另外，还开发了一种自供电葡萄糖生物传感器以进行连续血糖检测。该研究成果已经以“A Passive Perspiration Inspired Wearable Platform for Continuous Glucose Monitoring”为题发表于Advanced Science期刊。

可穿戴SCGM平台示意图

渗透作用利用了部署在皮肤上的高溶质水凝胶，而汗液运输则通过纸基微流控通道实现。与单独的自然排汗相比，渗透作用促进了更好的汗液收集。并且，可以通过调节水凝胶组合物和渗透剂强度用于不同的身体位置。

葡萄糖生物传感器的所有组件均使用可拉伸的苯乙烯-乙烯-丁烯-苯乙烯共聚物（SEBS）热塑性弹性基材包裹，以防止水凝胶和纸基的干燥，同时允许平台适形粘附到指尖及前臂上（这两处部位的汗腺密度都很高）。纸基微流控通道夹在电极和顶部SEBS盖之间，包括两个部分：容纳水凝胶并直接与皮肤接触的圆形部分，以及具有大表面积（7.2 cm²）的矩形部分，以促进通过毛细作用的长时间汗液流动，同时防止与旧汗液混合。

葡萄糖生物传感器与入口（水凝胶部位）附近纸基微流控通道的矩形部分接合，以即时检测流入的汗液葡萄糖，并避免由纸的色谱效应引起的通量损失，最终可以生成实时血糖动态。

可穿戴SCGM平台通过渗透作用提取汗液的工作原理

当平台与皮肤接触时，用乙二醇轻微润湿纸基微流控通道的圆形部分。这首先去除了通道中的死体积空间，还建立了渗透压差（相对于汗液）以驱动汗液（包括自然出汗的汗液）从皮肤流向传感器。此外，渗透作用不受pH值和温度波动的影响，只要在凝胶和汗液之间保持溶质和溶剂的化学电势差，就能维持汗液收集。

自供电酶葡萄糖传感器的组成，以及其如何连接纸基微流控通道以测量流入汗液的葡萄糖浓度

因此，与离子电渗疗法不同，该方法为表皮汗液提取提供了一种零功耗的新途径。采样的汗液葡萄糖由自供电的第二代酶葡萄糖生物传感器进行检测，这使得SCGM成为一个完全低功耗的汗液提取和传感平台。

水凝胶对连续排汗性能的研究

指尖汗液葡萄糖浓度趋势研究

可穿戴SCGM平台的长期性能研究

总结来说，该研究提出了一种汗液葡萄糖监测系统，能够在完全没有汗液刺激的休息状态下工作，可以生成实时血糖动态。渗透驱动水凝胶、纸基微流控的毛细管作用以及自供电的酶生化传感器，分别用于汗液提取、运输和葡萄糖监测。与基于自然汗液的采样相比，渗透作用促进了汗液流入并使汗液速率波动最小化。研究人员在不同的生理条件下，在指尖和前臂上进行了测试，还开发并验证了个性化校准模型，以从汗液中获取实时血糖信息。结果显示，估算的血糖浓度与测量的血糖浓度显示出良好的相关性。这种渗透驱动的被动汗液连续血糖监测系统，有望成为下一代连续汗液血糖监测仪的有效补充。

论文链接：https://doi.org/10.1002/advs.202405518

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