基于自修復水凝膠的摩擦電生物傳感器，可監(jiān)測汗液葡萄糖水平

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隨著醫(yī)療技術(shù)的進步，智能醫(yī)療領域的突破使實時患者數(shù)據(jù)的收集和主動診斷成為可能醫(yī)療技術(shù)的進步。因為葡萄糖是細胞重要的能量來源，所以監(jiān)測葡萄糖指標的穩(wěn)定對于最大程度減少糖尿病相關(guān)問題至關(guān)重要。然而，盡管市售的葡萄糖監(jiān)測設備種類繁多，但重復血液測試帶來的痛苦和復雜的電力需求仍是監(jiān)測設備存在的缺點。

為了解決這些缺點，Min-Hsin Yeh與團隊提出了基于自修復水凝膠的摩擦電生物傳感器（GAH-TES）。在葡萄糖存在的情況下，動態(tài)水凝膠網(wǎng)絡的調(diào)制導致電導率變化從而提高電性能。再引入摩擦生電納米發(fā)電機（TENG），實現(xiàn)通過人體排汗的汗液實時監(jiān)測高血糖水平，從而實時監(jiān)測糖尿病。相關(guān)研究成果以“Enabling glucose adaptive self-healing hydrogel based triboelectric biosensor for tracking a human perspiration”為題發(fā)表在Nano Energy期刊上。

包裹在β-環(huán)糊精（β-CD）中的葡萄糖氧化酶（GOx）由于其可拉伸性、無毒性和高選擇性而被摻入PVA基質(zhì)中。GAH在有葡萄糖時有響應，GOx酶促反應氧化葡萄糖后產(chǎn)生葡萄糖酸與H?O?。當葡萄糖濃度升高時離子強度的增加使得機械化學鍵斷裂從而導致滲透溶脹，增加了水凝膠基質(zhì)的電導率，而電導率的變化促進了TENG系統(tǒng)摩擦起電。GAH是一種柔性電導體，并且在接觸帶電過程中表現(xiàn)出強烈的極化效應。當GAH吸收的葡萄糖濃度從0增加到500 μM時，TENG有更高的輸出性能。GAH-TES成功實現(xiàn)了自我驅(qū)動和連續(xù)的血糖監(jiān)測。

PVA作為GAH的基礎網(wǎng)絡。β-CD作為該水凝膠的受體連接PVA構(gòu)成的基礎網(wǎng)絡上。為了確保GOx存在于穩(wěn)定的環(huán)境下，將其通過非共價包裹在β-CD的空腔中。檸檬酸（CA）交聯(lián)的存在提供了氫鍵和額外的結(jié)合位點，使β-CD和GOx之間形成的包合物穩(wěn)定，如圖1（a）所示。該研究通過對PVA/CA/β-CD水凝膠進行了衰減全反射傅里葉變換紅外光譜（ATR-FTIR）分析，將CA交聯(lián)PVA水凝膠與純PVA水凝膠進行比較，顯示在1712 cm?1附近出現(xiàn)了新的振動帶，這表明C=O的形成，證實了CA在PVA基水凝膠中的化學交聯(lián)，如圖1（b）所示。

由于GAH基于GOx 酶促反應進行葡萄糖濃度的監(jiān)測，酶促反應會導致水凝膠溶脹從而影響吸水能力和機械強度。該研究為了確定水凝膠中最佳PVA濃度，研究了PVA水凝膠的溶脹時間。將含有5%、10%和15% wt PVA水凝膠浸泡在含有200 μM H?O?的PBS溶液觀察溶脹速率，得出PVA水凝膠的最佳吸收時間為60 min，如圖2a。而就高強度和吸收能力而言，10 wt% PVA是制備GAH的最適配比。研究人員研究了最適配比10 wt% PVA下GAH對H?O?吸附效率與電導率的關(guān)系及水凝膠的溶脹效率，如圖2b。當H?O?濃度從0增加到500 μM時，基于PVA水凝膠的TENG的輸出電壓增加，如圖2c和2d所示。

接下來，文章給出了GAH-TES傳感器中TENG的測試。對于汗液0 ~ 500 μM葡萄糖濃度的實時檢測，結(jié)果顯示當葡萄糖濃度從0增加到500 μM時，TENG的輸出電壓信號變化為15 V ~ 65 V。并再次進行重復檢測，如圖3c。文章根據(jù)微觀歐姆電磁定律，提出了酶促反應過程中產(chǎn)生的電荷增加與水凝膠電導率增加的比例關(guān)系，測試了在不同葡萄糖濃度下，PVDF表面電荷增加以及水凝膠電導率增加的類似趨勢，如圖3d。該現(xiàn)象可由GAH的界面極化來解釋，即H?O?氧化產(chǎn)生的H?和PVDF與GAH界面積聚的空間電荷形成的界面極化引起的離子極化效應可以提升摩擦電性能，圖3e給出了相應的示意圖。

之后，該研究展示了GAH-TES用于人工汗液葡萄糖監(jiān)測傳感性能的相關(guān)測試。首先驗證了GAH-TES信號主要由葡萄糖影響，尤其在葡萄糖為400 μM時，表現(xiàn)出了高選擇性，如圖4a。并對該傳感器具備長期穩(wěn)定性、再現(xiàn)性和可重復性進行了測試，如圖4b-4d。

此外，研究人員又對GAH-TES的自修復和彎曲穩(wěn)定性做了測試。通過搭建電路來直觀地展示GAH的自修復特性，如圖5a-5b所示。通過對GAH進行超過3000次循環(huán)長期彎曲，得到GAH-TES在存在機械運動的情況下仍能提供穩(wěn)定和可靠的電信號，如圖5c所示。

最后，該研究給出了自供電GAH-TES在人體汗液血糖監(jiān)測中的實際應用。即當葡萄糖濃度過高時，GAH-TES的電壓信號就會有所響應并點亮LED，如圖6a。并對實際汗液樣本下葡萄糖濃度變化時GAH-TES帶來的響應進行了測試，如圖6b所示。

綜上所述，該基于自修復水凝膠的摩擦電感應傳感器（GAH-TES）可用于人體汗液中的無創(chuàng)葡萄糖監(jiān)測，并且該設備具備長期穩(wěn)定性、可再現(xiàn)、可重復使用的特性。

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