糖尿病是一种常见的慢性代谢性疾病，主要特征是血糖过高。它已经成为全球主要的死亡原因之一，全球约有数亿人受到影响，每年约有160万人因此死亡，因此，定期且准确地监测血糖对糖尿病的诊断和管理至关重要。如今，便携式血糖仪（BGM）已广泛应用于居家自我检测，通过指尖采血来精准评估血糖水平。然而，由于这些设备的结构和传感原理，用户不得不频繁忍受侵入性痛苦及潜在的感染风险，尤其是对于那些伤口不易愈合的糖尿病患者。此外，传统血糖仪无法进行连续监测。
因此，作为一种有巨大潜力的替代方案，可穿戴传感器逐渐受到关注，并符合现代个性化医疗的需求。可穿戴传感器能够通过衣物、眼镜或透皮贴片等形式与皮肤结合，提供更为便捷的使用体验。随着生物传感模块的集成，可穿戴式传感器不仅能够进行生理数据监测，还能非侵入性地检测代谢物、离子和生物标志物。
然而，目前这一技术仍面临一些挑战，例如，如何满足不同年龄段和不同活动状态人群的需求。因此，进一步研究和优化可穿戴生物传感器，将有助于实现更加个性化的健康诊断和日常护理。
据麦姆斯咨询介绍，宁波大学材料科学与化学工程学院余镇重助理研究员报道了一种新的基于电热薄膜刺激汗液分泌的可穿戴生物传感器，可以实现静息时人体汗液中葡萄糖的定量分析，相关成果以“Wearable Patch Biosensor through Electrothermal Film-Stimulated Sweat Secretion for Continuous Sweat Glucose Analysis at Rest”为题发表在国际化学权威杂志Analytical Chemistry上。宁波大学硕士研究生刘玉婷为该论文的第一作者。
研究主要内容
本研究开发了一种可穿戴贴片生物传感器，通过电热薄膜刺激汗液分泌，用于静息状态下的汗液葡萄糖分析。如图1所示，该系统包含五个主要模块：电热薄膜、温度传感器、微流控通道、电化学葡萄糖生物传感器和粘合层。
图1 （A）可穿戴贴片的结构示意图；（B）热模拟葡萄糖分泌的示意图；（C）电化学葡萄糖生物传感器的传感原理。
在检测过程中，负载银纳米线（AgNWs）的电热薄膜具有较高的电热效应，通过加热升高皮肤温度，刺激汗液分泌。随后，汗液在微流控系统中被收集和富集，这可以避免汗液的快速蒸发，并减少汗液的传输时间。最后，使用普鲁士蓝（PB）和葡萄糖氧化酶（GOx）功能化的电化学传感器测量汗液中的葡萄糖含量。通过扫描电镜和透射电镜对银纳米线进行了一系列表征，并通过热红外成像仪测定了电热薄膜的焦耳热性能，用仿真模拟了汗液在微流控通道里面的流通情况。结果证明银纳米线具有良好的线性结构，并且制成的电热薄膜具有优异的电热性能。
图2 （A）AgNWs的SEM图和（B）TEM图 ；（C-D）AgNWs的EDS；（E）电热薄膜的照片；（F）不同驱动电压下，AgNWs载体薄膜的电热性能；（G）不同驱动电压下，AgNWs载电热薄膜的饱和温度红外（IR）图像；（H）电热薄膜在1.5 V下的循环驱动情况；（I）微流控通道的顶视图照片；（J）微流控通道的横截面视图照片；（K）微流控通道中汗液流动的仿真图。
此外，模拟实验也证实了汗液在微流体通道内的快速富集（图2）。研究人员对电化学葡萄糖传感器进行了表征和一系列电化学测试，证明了该电化学传感器对葡萄糖具有良好的灵敏性、选择性和线性关系（图3）。
图3 （A）SPE的照片；（B-C）C SPE和C/PB SPE的SEM图像；（D-E）C SPE和C/PB SPE的对应截面SEM图像；（F）C SPE在不同扫描速率下的循环伏安响应；（G）C SPE、C/PB SPE和C/PB/GOx SPE的循环伏安响应；（H）葡萄糖传感器对不同葡萄糖浓度的实时安培响应；（I）电流与葡萄糖浓度的校准曲线；（J）葡萄糖生物传感器的动态响应性；（K）葡萄糖生物传感器的特异性。
在实际人体测试中发现，通过热刺激能够有效促进人体汗液分泌，其速率是无热刺激时的3倍。并且在设定温度下，该热刺激对人体皮肤没有伤害（图3）。通过对受试人员跟踪测试，发现此策略测得的汗液葡萄糖浓度与血液中葡萄糖浓度在一天内的波动趋势一致，表明其用于人体血糖浓度检测的可行性（图5）。该方法运用电热刺激汗液分泌的方式为非侵入式检测汗液中的葡萄糖提供了新的思路。
图4 （A）手掌加热前后的照片和（B）红外图像；（C）手掌和手背热致出汗时微流控通道中的汗液分泌与；（D）手掌和（E）手背在有无热刺激下的汗液分泌速率。
图5 （A）可穿戴贴片生物传感器测试系统；（B）电热加热和不电热加热刺激时手掌体表汗液分析的电流信号及其（C）测试照片；（D）手掌和手背中汗液葡萄糖的电流检测信号和（E）含量；（F）餐后不同时间可穿戴贴片生物传感器测得的汗液葡萄糖计时安培响应及（G）血糖仪测得的相应血糖；（H）餐后2小时内和（I）全天正常用餐时汗液葡萄糖浓度和血糖浓度的变化。
总结来说，在这项工作中，研究人员设计了一种热刺激可穿戴汗液分析平台，用于静息状态下非侵入性和持续性的汗液葡萄糖分析。该平台利用负载了AgNWs的柔性热膜作为热源，提供了一种简单、有效且安全的热刺激汗液收集方法，适用于静息状态下人体汗液中的葡萄糖检测。为了实现持续的佩戴监测，这一可穿戴分析平台结合热膜用于局部汗液刺激，微流控通道用于汗液收集，PB/GOx功能化的生物传感器用于汗液葡萄糖检测，再利用智能手机进行结果显示。
检测结果表明，汗液与血清葡萄糖水平之间存在直接关系，并且全天具有明显的同步波动趋势。与传统的离子渗透、运动或热水浴方法相比，该策略避免了长期的电刺激，并且无需场地或设备限制，可以随时操作。该设备为糖尿病管理提供了便捷且持续的家庭葡萄糖监测，特别适用于老年人、患者和行动不便的人群。
https://doi.org/10.1021/acs.analchem.4c04271
延伸阅读：
《苹果在无创血糖监测领域的发明专利与产业布局分析》
《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》
