深圳先進(jìn)院研發(fā)可穿戴微針貼片賦能超聲波?實(shí)現(xiàn)連續(xù)血糖監(jiān)測
連續(xù)血糖監(jiān)測是糖尿病診療與長期管理的關(guān)鍵手段。然而,當(dāng)前商業(yè)化連續(xù)血糖監(jiān)測設(shè)備多依賴酶促氧化還原反應(yīng)特異性檢測葡萄糖,存在需周期性更換、儲存條件嚴(yán)苛、成本高昂等固有局限;而許多創(chuàng)新的無酶監(jiān)測方案,常采用光學(xué)讀取方式,這種方法依賴定制化的精密檢測裝置,測量易受環(huán)境干擾,且光學(xué)造影劑存在生物安全性隱患。
近日,中國科學(xué)院深圳先進(jìn)技術(shù)研究院生物醫(yī)學(xué)與健康工程研究所、醫(yī)學(xué)成像科學(xué)與技術(shù)系統(tǒng)全國重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室孟龍研究員聯(lián)合香港理工大學(xué)蘇眾慶教授、韓國科學(xué)技術(shù)先進(jìn)院Jeong Jae-Woong教授開發(fā)出一種無酶、可穿戴、聲學(xué)可讀的微針貼片(ARMPatch),通過耦合葡萄糖響應(yīng)水凝膠與超聲檢測技術(shù),賦能通用的超聲探頭以生化監(jiān)測的功能。ARMPatch可以作為商用超聲設(shè)備的“智能血糖監(jiān)測配件”,實(shí)現(xiàn)微創(chuàng)、長效、穩(wěn)定的連續(xù)血糖監(jiān)測,為無酶連續(xù)血糖監(jiān)測技術(shù)提供了全新解決方案,拓寬了超聲技術(shù)在健康監(jiān)測領(lǐng)域的應(yīng)用范疇。相關(guān)成果以"Augmenting Ultrasound for Continuous Glucose Monitoring via A Wearable Acoustically Readable Microneedle Patch"為題發(fā)表在Science Advances期刊上。
在材料結(jié)構(gòu)方面,ARMPatch以苯硼酸功能化葡萄糖響應(yīng)水凝膠為核心基材,無需酶分子即可實(shí)現(xiàn)葡萄糖的特異性識別;微針陣列僅穿透表皮層,接觸組織間液完成微創(chuàng)采樣;其內(nèi)部摻雜生物相容性二氧化硅微球,顯著提升超聲成像對比度,成功解決了水凝膠與生物組織聲阻抗相近、難以辨識的核心問題,實(shí)現(xiàn)超聲波對微針的精準(zhǔn)監(jiān)測,開創(chuàng)了微針結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的全新方向。
在傳感機(jī)制方面,微針?biāo)z與組織間液接觸后,葡萄糖分子與苯硼酸基團(tuán)特異性結(jié)合,觸發(fā)水凝膠發(fā)生可逆溶脹,微針長度變化與葡萄糖濃度呈現(xiàn)定量關(guān)聯(lián);通過標(biāo)準(zhǔn)超聲探頭即可無創(chuàng)讀取微針長度變化,將血糖水平轉(zhuǎn)化為可量化的聲學(xué)信號,實(shí)現(xiàn)利用超聲探頭對血糖的連續(xù)、微創(chuàng)檢測,有力推動便攜式/穿戴式超聲設(shè)備向家庭健康監(jiān)護(hù)領(lǐng)域拓展。
在轉(zhuǎn)化前景方面,研究團(tuán)隊(duì)開展了系統(tǒng)的體外與體內(nèi)實(shí)驗(yàn),ARMPatch的血糖監(jiān)測展現(xiàn)出出色的轉(zhuǎn)化前景。體外模擬條件下,ARMPatch在0-40 mM血糖濃度范圍內(nèi)呈現(xiàn)良好線性相關(guān)性,檢測分辨率達(dá)mM級,響應(yīng)時(shí)間為30-60分鐘;同時(shí),其對生理范圍內(nèi)常見干擾物質(zhì)表現(xiàn)出優(yōu)異選擇性,且能穩(wěn)定實(shí)現(xiàn)56天的葡萄糖響應(yīng),長效性遠(yuǎn)超傳統(tǒng)酶促連續(xù)血糖監(jiān)測。在裸鼠模型中,ARMPatch成功實(shí)現(xiàn)7天連續(xù)監(jiān)測,期間小鼠佩戴貼片正?;顒樱怀曅?zhǔn)的微針變化與商用血糖儀測量的血糖值高度相關(guān);此外,生物相容性測試證實(shí),水凝膠生物安全性高,皮膚組織僅出現(xiàn)輕微免疫反應(yīng),7天內(nèi)可完全恢復(fù),其安全性與微創(chuàng)性得到充分驗(yàn)證。
ARMPatch的研發(fā),擺脫酶活性限制,將血糖濃度轉(zhuǎn)化為超聲可讀的微針形變信號,相比現(xiàn)有酶基產(chǎn)品的使用壽命提升數(shù)倍,大幅降低制備與使用成本,開辟了宏觀超聲成像檢測微觀血糖變化的新思路,為長效連續(xù)血糖監(jiān)測提供了全新的技術(shù)路徑。同時(shí),毫米級微針僅穿透表皮層,無明顯痛感與組織損傷,并且微針隨血糖濃度產(chǎn)生的微小體積變化,可直接被超聲探頭"看見"并量化,發(fā)展了超聲在可穿戴生物傳感領(lǐng)域的應(yīng)用路徑。此外,ARMPatch兼容各類標(biāo)準(zhǔn)超聲設(shè)備,無需額外定制化硬件,可無縫對接便攜式、可穿戴超聲系統(tǒng),大幅降低家用與臨床血糖監(jiān)測的技術(shù)門檻,推動超聲從影像診斷工具向生理參數(shù)監(jiān)測平臺轉(zhuǎn)型。通過對水凝膠組分進(jìn)行改性優(yōu)化,該技術(shù)可延伸至pH、蛋白質(zhì)等其他生物標(biāo)志物的檢測,進(jìn)一步拓寬超聲技術(shù)在生物傳感領(lǐng)域的應(yīng)用邊界,構(gòu)建多指標(biāo)集成監(jiān)測平臺。
中國科學(xué)院深圳先進(jìn)技術(shù)研究院、醫(yī)學(xué)成像科學(xué)與技術(shù)系統(tǒng)全國重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室孟龍研究員與香港理工大學(xué)蘇眾慶教授、韓國科學(xué)技術(shù)先進(jìn)院Jeong Jae-Woong教授為論文共同通訊作者。香港理工大學(xué)博士生張王霖翰、徐健剛,中國科學(xué)院深圳先進(jìn)技術(shù)研究院博士生李昕珈,韓國科學(xué)技術(shù)先進(jìn)院張藝智為論文共同第一作者。該項(xiàng)目獲得中國國家自然科學(xué)基金委-香港研究資助局聯(lián)合基金,香港研究資助局優(yōu)配研究基金,中國國家自然科學(xué)基金,韓國國家研究基金的聯(lián)合資助。


使用標(biāo)準(zhǔn)超聲探頭結(jié)合開發(fā)的ARMPatch的連續(xù)血糖監(jiān)測系統(tǒng)示意圖以及葡萄糖調(diào)節(jié)下合成水凝膠葡萄糖響應(yīng)機(jī)制示意圖

ARMPatch傳感器的膨脹率隨典型糖尿病患者血糖水平模擬波動的變化情況

在體實(shí)驗(yàn)中,ARMPatch的膨脹率隨體內(nèi)血糖水平變化情況
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