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基于微管的可穿戴闭环微型糖尿病管理系统

2023-05-11

糖尿病是一种具有高血糖水平的慢性代谢性疾病，可导致严重的急性和慢性并发症。糖尿病管理的关键是将血糖控制在正常水平，通常在低于7.0 mM的范围内。糖尿病患者通常每天需要监测三到四次血糖浓度，常用的监测方法是通过血糖仪测量指尖血，这既痛苦又不方便。当血糖高于正常水平时，患者将服用口服药物或皮下注射胰岛素。这些方式对患者来说是不方便的，并且总是导致糖尿病控制不佳。糖尿病闭环管理系统由于其用于自动监测血糖和注射胰岛素的智能功能而引起了人们的极大兴趣，该装置通常包括一个连续的葡萄糖传感器和一个胰岛素泵，胰岛素的泵送量由葡萄糖水平进行智能调节，商业系统的大尺寸和高成本限制了其广泛使用。   近期，北京大学崔悦团队首次研制了一种基于微管的可穿戴闭环微型糖尿病管理系统，成功地将其糖尿病大鼠的血糖水平维持在安全水平内，相关成果以“A Microtube-based Wearable Closed-Loop Minisystem for Diabetes Management”为题发表在Research期刊上。
该闭环微系统包括生物传感装置、电渗微泵和带有算法的印刷电路板（PCB）。涂覆在微管外表面上的传感装置被插入皮下组织以检测间质葡萄糖，用于感测葡萄糖的电流信号被PCB处理以智能地为电渗微泵供电，以经由微管通道将胰岛素输送到皮下组织中。
通过微纳加工的方法，将用于传感的金电极和银/氯化银电极加工在微管的侧壁上，对电极进行电化学修饰，并将葡萄糖氧化酶固定在工作电极上，用于葡萄糖检测（图2）。
基于微管的可穿戴闭环微型糖尿病管理系统 (https://ic.work/) 智能设备 第1张
图2 微管葡萄糖生物传感器的制备过程及电化学表征,研究人员评估了传感器在不同体外环境中的检测性能及稳定性，证明了这种基于微管的传感器可用于葡萄糖的精确检测（图3）。
基于微管的可穿戴闭环微型糖尿病管理系统 (https://ic.work/) 智能设备 第2张
图3 用于检测葡萄糖的微管生物传感器的检测性能评价,另外，研究人员评估了电渗泵释放胰岛素的性能，及其所需要的功率，证明了此种电渗泵可通过微管进行有效的胰岛素释放（图4）。
基于微管的可穿戴闭环微型糖尿病管理系统 (https://ic.work/) 智能设备 第3张
图4 电渗微泵释放胰岛素性能评价,最后，研究人员将此闭环系统应用于糖尿病SD大鼠，用于血糖管理。实验证明了传感器可以准确地进行体内的血糖监测。此闭环系统，可以在大鼠不进食和进食的条件下，自动且长期稳定地将其血糖水平维持在正常范围内，证明了该系统可以成功地实现体内血糖的自动闭环控制（图5）。
基于微管的可穿戴闭环微型糖尿病管理系统 (https://ic.work/) 智能设备 第4张
图5 闭环系统的体内性能评价,体内实验证明，该系统可以智能地对糖尿病大鼠的血糖进行闭环控制。与其他商业闭环系统相比，该系统体积小、重量轻、成本效益高。尽管这些结果很有前景，但仍需要进一步的研究来重新设计PCB，使其配备无线功能，增强控制水平，并评估闭环系统管理人类糖尿病患者血糖的能力。这项工作可以为开发新的闭环糖尿病设备开辟一个新的思路，为糖尿病患者的治疗提供广阔前景。

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