据麦姆斯咨询报道，Microsystems & Nanoengineering期刊上最近发表的文章“Revolutionary self-powered transducing mechanism for long-lasting and stable glucose monitoring: achieving selective and sensitive bacterial endospore germination in microengineered paper-based platforms”介绍了一种创新的葡萄糖传感器，其特点是由产孢细菌驱动的自供电传感机制。这一突破利用了微工程纸质平台上的枯草芽孢杆菌内生孢子，解决了传统葡萄糖传感器的局限性。与需要侵入性程序和频繁校准的血糖监测系统不同，该设计为连续血糖监测（CGM）提供了一种非侵入性、经济高效的解决方案。
自供电的葡萄糖传感机制
通过利用细菌内生孢子的代谢活动来产生响应葡萄糖水平的电信号，研究人员开发了一个自供电葡萄糖传感平台，不仅可以提高监测的准确性和可靠性，还可以重新定义实际应用的实用性。
血糖监测是糖尿病管理的基石，使个人能够保持健康的血糖水平并避免并发症。然而，传统的血糖监测通常依赖于侵入性技术，这使得其在日常使用中不舒适且不方便。此外，许多血糖监测系统需要频繁校准和维护，这进一步增加了它们的使用复杂性。
微生物燃料电池（MFC）的最新进展为替代性生物传感技术铺平了道路。微生物燃料电池利用微生物的代谢活动将生化能转化为电能，提供可持续的能源。通过将产芽孢细菌整合到微生物燃料电池中，研究人员旨在开发自给自足、低维护的生物传感器，从而避免对外部化学发芽剂的需求。
用于葡萄糖监测的纸基产孢微生物全细胞传感系统
该文章重点介绍了几项关键研究，为这一创新的自供电葡萄糖传感平台的开发奠定基础：
1. 细菌生物传感器的早期应用：以前在纸基微生物燃料电池中使用产孢细菌的设计展示了其在可穿戴应用方面的潜力。然而，这些系统受到一次性发电的限制，并且需要预先集成化学发芽剂才能激活。
2. Gao等人的创新设计：本文中提出的方法克服了早期的限制，无需额外的化学发芽剂即可实现连续运行。这一进步大大提高了该技术在实际应用中的实用性。
3. 工程纸基材：纸的阳极部分用导电聚合物油墨PEDOT:PSS改性，可以在提高电导率和亲水性的同时保持孔隙率。这些特性增强了与细菌细胞的相互作用，提高了生物传感器的整体效率。对于阴极部分，添加了氧化银以增强催化性能，优化还原过程并提高系统的有效性。
纸基微生物燃料电池葡萄糖传感器的制造和配置，可用于非侵入式血糖监测
该文章强调了微生物燃料电池系统在模拟真实条件下检测葡萄糖浓度的有效性。通过使用富含钾的人工汗液，研究人员证明了微生物燃料电池的电输出与葡萄糖浓度之间存在很强的相关性。
该微生物燃料电池系统依赖于产孢细菌的代谢活动，产生的电信号可直接指示葡萄糖水平。这种直接的关系简化了数据的解释，从而可以准确可靠地监测葡萄糖。
该系统最显著的优势之一是其自供电设计。与依赖外部电源或化学试剂的传统葡萄糖传感器不同，微生物燃料电池通过细菌代谢产生自己的能量。这消除了频繁更换电池或外部充电的需要，使其成为一种环境可持续且用户友好的持续血糖监测解决方案。
使用枯草芽孢杆菌内生孢子作为生物催化剂也增加了系统的实用性。这些孢子保持休眠状态，直到被环境中的葡萄糖激活，从而无需预先整合化学发芽剂。这不仅简化了操作要求，而且还提高了生物传感器的寿命和稳定性。
尽管这些结果很有希望，但文章作者承认存在某些局限性。细菌孢子的缓慢发芽率会延迟系统的响应时间，测试环境中的钾浓度会显著影响性能。这些挑战凸显了需要进一步优化的领域，以提高系统在不同条件下的灵敏度和可靠性。
富含钾的人工汗液中葡萄糖对孢子萌发的影响
虽然需要进一步开发以优化该生物传感器的灵敏度和响应时间，但该生物传感器对改善糖尿病患者的生活质量具有重要的意义。此外，其可持续、低维护的设计使其成为健康监测和可穿戴生物传感器技术更广泛应用的开创性一步。
论文链接：
https://www.nature.com/articles/s41378-024-00836-9
