糖尿病是一种高血糖代谢性疾病，可以引发包括心脏病、肾病、视网膜病变和神经病变在内的多种并发症。闭环胰岛素输注系统是管理和治疗糖尿病的理想选择。它可以根据糖尿病患者的血糖浓度计算胰岛素输注剂量，实现自动化血糖管理，从而将糖尿病患者的血糖控制在接近正常浓度范围的水平，并减轻由于频繁检测毛细血管血糖和注射胰岛素带来的生理和心理负担。目前，市售的闭环胰岛素输注系统通常由皮下间质液葡萄糖生物传感器、输注胰岛素的皮下泵、能自动响应生物传感器测量的葡萄糖浓度变化并自动调整胰岛素输注量的算法组成。然而，现有的闭环胰岛素输注系统过于昂贵，并且体积过大，因而限制了其在糖尿病患者中的广泛使用。
据麦姆斯咨询报道，为了解决上述挑战，来自北京大学的研究人员设计了一种用于糖尿病管理的可穿戴、可快速制造、稳定性增强型闭环装置。该装置是基于聚苯乙烯（PS）空心微针制造而成。其工作电极和参比/对电极都是通过在微针表面印刷石墨烯复合墨水构建而成。随后，研究人员将葡萄糖氧化酶（GOD）固定在石墨烯工作电极上。为了提高胰岛素输注的稳定性，研究人员使用了一种电渗微泵，并在其表面修饰了防污层，以避免所输注的胰岛素由于发生污染而产生性能的下降。随后，研究人员将微泵与微针进一步整合，使胰岛素可以通过微针的中空通道进行输送。
在具体的使用过程中，该研究开发的微针生物传感装置可以检测患者间质液中的葡萄糖浓度。当间质液中的葡萄糖浓度高于正常浓度时，微泵会自动开启，进而实现胰岛素的输送。此外，葡萄糖传感器和微泵均由一块印刷电路板（PCB）智能控制，从而实现闭环管理功能。总体而言，该研究开发的闭环装置具有稳定、可穿戴、微型化、无痛、精确、经济和易于制造等特点。相关研究成果以“A wearable, rapidly manufacturable, stability-enhancing microneedle patch for closed-loop diabetes management”为题发表在Microsystems & Nanoengineering期刊上。
图1 用于糖尿病闭环管理的微针贴片总体设计示意图
图1a展示了可贴附在皮肤上的糖尿病智能管理系统的整体运行机制。该系统包括插入皮肤真皮层的PS空心微针阵列、涂覆在微针表面的石墨烯生物传感器、化学功能化的电渗微泵。其中，微针表面有两个石墨烯复合薄膜电极，作为固定GOD的传感电极。该微针贴片可以插入皮肤真皮层，用于检测糖尿病患者间质液中的葡萄糖浓度。
图2 基于聚苯乙烯（PS）微针的生物传感器的制备
图3 电渗微泵的制造过程
图1b展示的是完整的糖尿病智能管理系统的照片。其中，微针传感器和微泵被组装在一个直径2.5 cm、高0.5 cm的按钮形3D打印外壳中。外壳可以充当储存胰岛素的药箱，最多可以容纳1.45 mL胰岛素溶液。整个闭环系统非常小巧，用户可以将其佩戴在身上，并可以使用强力医用胶带或绷带将其固定在手臂或腹部，以减少室内外活动时身体移动带来的影响。
在智能糖尿病闭环管理系统的具体使用流程中，石墨烯微针传感电极可以检测患者间质液中的葡萄糖浓度，并将传感信号传输到PCB。如果测得的葡萄糖浓度超过阈值，PCB就会自动开启电渗微泵，储药箱中的胰岛素溶液就会持续释放10分钟，并通过微针的中空通道迅速到达患者的间质液中。随后，传感器会重新开始检测间质液中的葡萄糖浓度。
利用糖尿病大鼠模型进行的体内实验结果表明，该研究提出的糖尿病闭环管理系统具有出色的血糖控制效果。因此，这项工作有望为糖尿病闭环管理系统提供新的范例，并具有良好的实际应用潜力。
图4 利用糖尿病大鼠模型进行的糖尿病闭环管理系统体内传感实验
综上所述，该研究展示了一种用于糖尿病管理的可穿戴、可快速制造、稳定性增强型闭环微针贴片。与其它现有的市售闭环系统或已报道的闭环系统相比，该系统具有可穿戴、体积小、重量轻、成本低和制造速度快等优点。
然而，在实现实际应用之前，该系统还存在许多需要进一步完善的地方。首先，其控制算法需要进行进一步的改进；其次，该系统的性能还需要在人类糖尿病患者身上进行评估；此外，为了使该系统更便于穿戴，还需要制造出更紧凑的PCB或芯片；同时，该系统的测量数据应可以通过无线方式传输到智能手机等移动设备上，而无需通过与电脑连接进行数据的传输；最后，还可以进一步简化整个装置的加工过程，以提高其制造可行性并降低成本。例如，可以使用3D打印技术直接打印空心微针阵列，使用气溶胶喷射打印技术在微针侧壁上打印石墨烯电极和固定化葡萄糖氧化酶；而生物传感器和微泵组件的组装可直接使用工业机器人完成。
论文链接：
https://doi.org/10.1038/s41378-024-00663-y
延伸阅读：
《即时诊断应用的生物传感器技术及市场-2022版》
《基于拉曼光谱的血糖监测专利态势分析-2024版》
《雅培辅理善瞬感®持续血糖监测传感器产品分析》
《糖尿病管理技术及市场-2022版》
《可穿戴技术及市场-2023版》
《给药应用的微针专利态势分析-2020版》
