可穿戴式醋酸纤维素膜口腔防护罩生物传感器用于唾液葡萄糖的无创实时监测研究

本研究由东京医科齿科大学生物材料与生物工程研究所的Takahiro Arakawa和Kohji Mitsubayashi领衔团队完成，成果发表于《Analytical Chemistry》期刊2020年8月刊。该研究开发了一种集成无线传输模块的口腔防护罩（mouthguard, MG）生物传感器，通过醋酸纤维素（cellulose acetate, CA）膜抑制唾液干扰物，首次实现人类口腔内唾液葡萄糖浓度的直接连续监测。

学术背景

糖尿病全球患者已达4.2亿，传统血糖监测（self-monitoring of blood glucose, SMBG）需指尖采血，存在感染风险和身心负担。唾液葡萄糖浓度约为血液的1/100（20-200 μmol/L），且与血糖水平相关，但现有检测技术面临两大挑战：（1）抗坏血酸（ascorbic acid, AA）和尿酸（uric acid, UA）等干扰物的电化学影响；（2）口腔复杂环境中传感器的稳定性和生物相容性要求。本研究旨在开发一种可穿戴、非侵入式的MG传感器，解决上述问题。

研究流程与方法

1. 传感器设计与制备

电极构建：
- 采用生物相容性材料：基底为聚对苯二甲酸乙二醇酯（PETG），工作电极为200 nm铂（Pt），对/参比电极为300 nm银（Ag/AgCl），通过磁控溅射沉积。
- 抗干扰膜开发：在Pt电极上涂覆5 wt% CA溶液形成分子筛膜，利用醋酸基团的静电排斥和孔径效应抑制AA/UA干扰（噪声比NR=97.1%）。
- 酶固定化：将葡萄糖氧化酶（glucose oxidase, GOD）与两性共聚物PMEHB混合，通过UV交联固定在电极表面，外层覆盖PMEHB防止蛋白质吸附。

MG集成工艺：
- 通过真空热成型将传感器嵌入定制牙模，采用PDMS（聚二甲基硅氧烷）密封和导电弹簧连接无线模块，解决传统热焊接导致的电极断裂问题（剪切强度达275 mN/mm²）。
- 开发Android应用实现蓝牙低功耗（BLE）数据传输，支持实时监测与可视化。

2. 性能验证实验

体外测试：
- 选择性验证：在人工唾液中，传感器对葡萄糖的线性检测范围为1.75-10,000 μmol/L（R²=0.999），对半乳糖、甘露醇等糖类无交叉反应。
- 抗干扰测试：CA膜使10 μmol/L AA和100 μmol/L UA的响应电流降低至H₂O₂信号的3%以下。
- 稳定性验证：经四次次氯酸钠清洗后信号漂移%。

人体试验：
- 样本测试：采集健康受试者餐后2小时唾液，传感器输出与商用葡萄糖检测试剂盒（Glucose CII Test Wako）结果一致（21.1 vs. 17.6 μmol/L）。
- 口腔原位监测：传感器佩戴20分钟后输出稳定，成功捕捉空腹状态下的唾液葡萄糖动态变化。

关键结果与逻辑衔接

1. CA膜优化：浓度梯度实验显示5 wt% CA在抑制干扰（NR=102%）与保持H₂O₂灵敏度（53.0 nA）间达到最佳平衡（图3）。此步骤为后续人体试验排除90%以上AA/UA干扰奠定基础。
   
2. 唾液样本验证：热处理唾液样本的响应曲线与磷酸盐缓冲液（PB）重合，证实蛋白质吸附是导致原始唾液信号衰减70-80%的主因（图6c-d），指引未来改进方向。
   
3. 无线系统效能：PDMS密封使传感器在口腔湿润环境下连续工作4小时无渗漏，Android应用实现移动端数据接收，验证了居家监测的可行性（图5）。
   

结论与价值

本研究首创将CA膜技术与MG传感器结合，突破唾液葡萄糖实时监测的技术瓶颈：
- 科学价值：阐明CA膜通过静电排斥和尺寸排阻的双重抗干扰机制，为其他生物流体传感器设计提供新思路。
- 应用价值：无需唾液预处理即可实现μmol级检测，为糖尿病患者的无创血糖管理提供工具，尤其适用于夜间低血糖监测。

研究亮点

1. 技术革新：首次在口腔内实现CA膜保护的GOD酶电极直接测量，检测限低至1.75 μmol/L。
   
2. 跨学科整合：融合牙科材料学（PETG基底）、电化学（Ag/AgCl参比电极）和无线传感技术（BLE模块）。
   
3. 临床适配性：传感器外形符合口腔解剖结构（图5b），获伦理委员会批准（授权号2015-05），并通过金属过敏测试。
   

其他发现

• 温度与pH适应性：传感器在38°C和唾液pH范围内（6.2-7.4）响应稳定（SI图3），满足生理环境需求。
  
• 扩展潜力：该平台可适配乳酸、尿酸等检测模块，推动多指标口腔传感发展。
  

本研究得到日本IDDM网络和JSPS KAKENHI（项目号19KK0259）资助，标志着可穿戴生物传感器向临床实用化迈出关键一步。