可穿戴葡萄糖传感器因具有实现无创血糖测量的潜力，同时无不适感和感染风险而备受关注。然而，如何同时实现生物传感器的可穿戴适应性、生物降解性以及出色的传感性能是一项巨大的挑战。
据麦姆斯咨询报道，近日，中国科学院大学与台湾义守大学（I-Shou University）的联合科研团队设计了一种纤维素纸基无创生物传感器，利用反离子电渗技术检测间质液（ISF）中的葡萄糖，并且比较了两种不同的酶固定化策略。该研究结果表明，基于喷墨打印的纤维素纸基生物传感器（IPB）的性能优于基于滴涂的纤维素纸基生物传感器（DPB）。基于喷墨打印的纤维素纸基生物传感器提供了一种可无创获取的具有统计学意义诊断信息的途径，其操作简单且成本低廉，促进了柔性、可穿戴、可降解生物电极在家庭连续血糖监测中的应用，为未来实现紧凑便携式全集成解决方案奠定了基础。这项研究成果以“Flexible cellulose paper-based biosensor from inkjet printing for non-invasive glucose monitoring”为题发表在Polymer Testing期刊上。
如图1所示，首先，研究人员使用半自动丝网印刷机将纤维素基碳电极（PCE）印刷到未经处理的白色A4纤维素纸上，并分别在71℃和121℃下静置干燥30 min。PCE制备完成后，通过在碳电极表面物理吸附介质和GOx来制备基于滴涂的纤维素纸基生物传感器（DPB）。基于喷墨打印的纤维素纸基生物传感器（IPB）采用两步喷墨打印工艺制备而成。
图1 纤维素纸基生物传感器制备工艺示意图
随后，研究人员对所制备的两种纤维素纸基生物传感器（DPB和IPB）的物理特性进行了表征，结果如图2所示。图2（d）展示了DPB和IPB的衰减全反射傅里叶变换红外光谱（ATR-FTIR）图。
图2 纤维素基生物传感器的扫描电镜图（SEM）和ATR-FTIR图
接着，研究人员采用3D打印技术设计制备了两个固定电极的模型，两电极分别保持90°和180°弯曲状态（如图3（a）和图3（b））。然后，测量了施加机械应力后电极电阻的变化情况，并评估了机械应力对电极电性能的影响（如图4）。结果表明，纤维素基电极在承受机械应力和多次弯曲后仍能保持稳定的电学性能，是柔性可穿戴生物传感器的理想候选材料。
图3 弯曲（a）90°和（b）180°的纤维素基电极
图4 弯曲变形对电极电阻的影响
然后，研究人员探究了纤维素基电极的葡萄糖电化学检测性能，结果如图5所示。通过采用所研究的最佳条件，获得了不同葡萄糖溶液中DPB和IPB的计时电流测量结果（如图5a和图5c）。电流响应时间小于40 s，表明两种生物传感器具有快速检测葡萄糖的能力。图5b和图5d为DPB和IPB检测葡萄糖的校准曲线。结果表明，在0 ~ 10 mM的浓度范围内，这两种生物传感器表现出良好的线性关系。
图5 纤维素基电极的葡萄糖电化学检测性能
最后，该研究招募了一名健康志愿者，采用反离子电渗技术检测其上臂间质液中的葡萄糖含量，相关测试结果如图6所示。结果表明，采用反离子电渗技术的IPB进行长时间（6 h）无创血糖监测（无皮肤损伤）与实际血糖变化趋势具有良好的相关性（0.732），因此将IPB作为可穿戴无创血糖检测设备是可行的。
图6 采用反离子电渗技术检测上臂间质液中的葡萄糖含量
综上所述，这项研究开发了基于滴涂的纤维素纸基生物传感器（DPB）和基于喷墨打印的纤维素纸基生物传感器（IPB）两种生物传感器。这两种生物传感器均表现出良好的柔性和电稳定性。测量结果显示，IPB在0 ~ 10 mM葡萄糖浓度的宽线性范围内表现出优异的电化学性能（R² = 0.9951）、快速电子传递速率（Ks 7.00 × 10⁻⁴）、较高灵敏度（1.170 μA/mM）、良好的抗干扰性以及重复性（相对标准偏差RSD 4.82%）。作为一种采用丝网印刷工艺的纤维素基可生物降解电极，IPB具有高成本效益，可实现大规模生产。此外，该研究还采用反离子电渗技术从受试者上臂皮肤中提取间质液中的葡萄糖，并通过计时电流法（CA）进行检测。结果显示，这种纤维素基IPB平台在即时诊断和可穿戴无创血糖检测领域具有广阔的应用前景。
论文信息：
DOI: doi.org/10.1016/j.polymertesting.2024.108527
