NML研究论文 | 植入式生物电子器件:自供电可植入式电子皮肤血糖仪用于体内血糖水平的实时监测

Self-Powered Implantable Skin-Like Glucometer for Real-Time Detection of Blood Glucose Level in vivo

Wanglinhan Zhang^{1, #}, Linlin Zhang^{1, #}, Huiling Gao², Wenyan Yang¹, Shuai Wang^1, *, Lili Xing¹, Xinyu Xue^1, * 

Nano-Micro Lett. (2018) 10: 32   

DOI: 10.1007/s40820-017-0185-x

本文亮点

1   自供电可植入式电子皮肤血糖仪可用于体内血糖水平的实时监测。

2    叉指电极确保了单个纳米线在相同方向上的压电势。压电生物传感过程不需要外加电源。并提出了压电酶反应耦合效应。

3    该设备在活鼠体内运行良好并且能够实时检测血糖水平。

内容简介

近年来，植入式生物电子标记技术在医疗和医学诊断领域展现出很好的应用前景。例如，可穿戴式“电子皮肤”可用作医疗保健中人体生理信号的无创传感器。植入式电子皮肤类器件面临的最大挑战是必须兼顾柔软易变形、供能、以及生物传感功能等问题。

东北大学王帅和薛欣宇等人开发了一种自供电可植入式电子皮肤血糖仪，用于实时监测体内血糖水平。基于GOx@ZnO纳米线的压电酶反应耦合效应，该器件在施加变形时会输出含有葡萄糖检测信息的压电信号。

输出压电电压既作为生物传感信号可以提供电能，不需要提供外加电源。进一步地，将该电子皮肤血糖仪植入实验白鼠体内后，显示出优异的体内血糖水平监控性能。本研究为糖尿病的预防与诊断开辟了一条新的研究方向。

图文导读

1  自供电可植入式电子皮肤血糖仪的应用前景，器件体系结构，材料系统和实验设计

世界卫生组织（WHO）预计到2025年全世界将有30亿名糖尿病患者，迫切需要实现对血糖浓度的连续检测。自供电可植入式电子皮肤血糖仪可实时监测体内血糖水平，有助于糖尿病的预防和诊断，应用前景良好。

该器件尺寸为0.4×1.3cm²，薄且易弯曲，其小巧结构使其适合嵌入生物体内。和之前的研究相比，新的衬底更加灵活易拉伸。不同于垂直排列， 纳米线在衬底上水平排列可以促进生物传感过程。

2  自供电可植入式电子皮肤血糖仪的压电-生物传感性能

在施加变形的情况下，该装置可以将机械能转化成反映葡萄糖浓度信息的压电电压。该过程无需电能，输出的压电电压既是电源，也是生物传感信号。结果表明，随着葡萄糖浓度的增加，器件的输出压电电压减小。

3   自供电可植入式电子皮肤血糖仪的工作原理

其工作机理是基于酶反应与ZnO纳米线的压阻效应之间的耦合关系。在纯水中，纳米线表面不发生反应，其表面载流子密度较低。在外加变形下，GOx@ZnO纳米线压电屏蔽效应减弱，输出压电电位升高。当装置浸入葡萄糖溶液时，附着在ZnO纳米线表面的GOx(葡萄糖氧化酶)与葡萄糖发生反应。

作者简介

主要研究方向：低气压放电射频源中的电磁场特性；射频放电在材料处理、合成制备工艺等先进制造领域的应用。

博士生导师，教育部新世纪优秀人才。

主要研究方向：自充电电池；表面耦合效应及多功能器件。

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Impact Factor:4.849

Nano-Micro Letters 是上海交通大学主办的英文学术期刊，主要报道纳米/微米尺度相关的最新高水平科研成果与评论文章及快讯，在 Springer 开放获取（open-access）出版。可免费获取全文，目前免收版面费。

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