用于连续血糖监测的可穿戴纸基微针阵列传感器
2026-06-07 10:39:09 来源：麦姆斯咨询评论：0 点击：

该研究成果开发了一种新型一次性纸基微针阵列，可用于连续检测组织间液葡萄糖并预估血糖水平。所制得的微针阵列电极展现出优异的分析性能，具有高灵敏度、对潜在干扰物的选择性以及长期使用时的良好稳定性。

随着各类新兴技术的涌现，连续血糖监测（CGM）传感器取得了显著发展。其中，透皮式可穿戴传感器因具有微创特性而备受关注，推动了各类连续血糖监测设备的研发、验证与商业化进程。但由于当前连续血糖监测系统固有的侵入性以及高昂的成本，患者依从性和接受度不足仍是一大难题。

目前，微针阵列传感器是连续血糖监测系统有前景的替代方案之一，可实现无痛植入，且仅需刺入真皮层即可完成检测。用于连续血糖监测的微针阵列传感器可分为空心型和实心型两类。空心多孔微针阵列容易出现堵塞问题，且血糖检测结果存在滞后性。为解决这些缺陷，近期的研究已开始探索具有导电涂层的实心微针。

据麦姆斯咨询介绍，中国科学技术大学的研究团队提出了一种新型一次性固态微针阵列，该阵列置于柔性纸质基底上，与可重复使用的电子元件及移动应用整合，可用于间质液中葡萄糖的电化学传感，从而预测人体血糖水平。相关研究成果已经以“A wearable paper-based SGR/MCC microneedle array sensor for continuous glucose monitoring”为题发表于Microsystems & Nanoengineering期刊。

固态微针阵列的制备

本研究所开发的固态微针阵列由紫外光固化生物相容性手术导板树脂（SGR）和微晶纤维素（MCC）的新型复合材料制成，以确保微针与皮肤接触时的安全性。基底则采用浸渍了紫外光固化柔性牙龈仿真树脂的纸张制备。

用于无线连续血糖监测的一次性纸基微针阵列贴片示意图

图1 用于无线连续血糖监测的一次性纸基微针阵列贴片示意图

首先，借助定制的双向拉伸装置，利用可拉伸模具对微针阵列进行模塑成型，从而实现粘性微针复合材料的浇铸（图1a）。随后，为微针阵列涂覆石墨烯墨水以赋予其导电性，并通过喷笔依次修饰四硫富瓦烯（TTF）、葡萄糖氧化酶、壳聚糖和全氟磺酸树脂，实现葡萄糖传感（图1b）。最后，将功能化后的微针阵列集成到粘性贴片上，并搭配可重复使用的电子器件与移动应用，实现连续血糖监测应用（图1c）。这款纸基可穿戴微针阵列展现出良好的分析性能（以灵敏度和对潜在干扰物的选择性为表征），且在长期使用过程中具有稳定的结构稳定性。

纸基微针阵列的制备与表征

图2 纸基微针阵列的制备与表征

微针阵列电极的制备与表征

纸基微针阵列制备完成后，将其制成导电电极，并通过气喷枪将其功能化为生物传感电极（图3a）。

纸基微针阵列向导电碳电极的转化

图3 纸基微针阵列向导电碳电极的转化

首先，采用银/氯化银墨水在纸基微针阵列上沉积参比电极以及用于将电极连接至恒电位仪的导电线路。随后通过喷涂沉积石墨烯基导电墨水形成工作电极和对电极。树脂浸渍的纸材以及丙酮的快速挥发确保了表面涂层的均匀性，并显著减少了石墨烯墨水向纸材内部的渗透。

接着，通过喷涂法在工作电极上涂覆一层四硫富瓦烯介体层。由于四硫富瓦烯不溶于水，其固定在水相环境中时性质稳定，是透皮系统中极具应用前景的介体。之后，将葡萄糖氧化酶、戊二醛（交联剂）和牛血清白蛋白（稳定剂）的混合溶液喷涂至经四硫富瓦烯修饰的工作电极上，形成生物传感层。

最后，通过涂覆壳聚糖和全氟磺酸膜对生物传感层进行保护，以提升其稳定性。图3b展示了工作电极不同视角的扫描电子显微镜图像，图3c则通过能量色散X射线光谱分析，证实了工作电极表面碳、硫和氧元素的存在及均匀分布。为进一步明确电极表面的具体组成，研究人员进行了X射线光电子能谱测试（图3d）。谱峰证实工作电极表面存在碳和硫元素。综合来看，检测结果证明纸基微针阵列已成功转化为微针阵列电极。

全集成可穿戴传感器

该全集成可穿戴传感器由一次性柔性微针阵列电极贴片、用于电化学测量和数据传输的可重复使用可穿戴电子器件，以及一款移动应用程序组成（图4a）。一次性微针阵列电极贴片包含纸基微针阵列电极和由透气医用粘合剂制成的贴片（图4b）。一次性贴片与电子设备之间的连接通过可穿戴电子传感器背面的3个弹簧针和微针阵列电极背面的3个接触垫实现。

完全集成的可穿戴传感器

图4 完全集成的可穿戴传感器

移动应用程序通过与可穿戴传感器的无线连接来实现数据传输功能。用户界面支持在不同视图间快速切换，包括连接状态、实时图表和历史数据。启动时，应用会初始化核心组件并呈现用户友好的界面（图4d、e）。连接成功后，应用会持续接收血糖数据、进行处理并显示当前读数。移动应用程序可提供实时图表以可视化方式呈现血糖随时间的变化趋势，方便用户轻松追踪血糖变化规律和波动情况。

体内组织间液葡萄糖监测

研究人员利用雄性BALB/c小鼠在组织间液葡萄糖监测概念验证实验中评估了微针阵列电极的生物相容性。实验期间，小鼠饲养于独立通风笼盒内，非实验时段提供标准实验室饲料和饮水。血糖监测前，小鼠禁食5小时。使用异氟烷蒸发器对小鼠进行麻醉，将微针阵列电极贴附于剃毛并清洁后的皮肤表面。经过15分钟的稳定期后，以15分钟为间隔，通过微针阵列电极监测组织间液葡萄糖水平。同时，每30分钟从小鼠尾部采集血样（以最大程度减少对小鼠的应激）。使用市售血糖仪测量血糖水平作为参考。

利用微针阵列贴片对小鼠进行组织液葡萄糖的体内监测