可穿戴电化学葡萄糖传感器在糖尿病管理中的应用：全面综述

本文是由Tamoghna Saha、Rafael Del Caño、Kuldeep Mahato、Ernesto De La Paz、Chuanrui Chen、Shichao Ding、Lu Yin和Joseph Wang*共同撰写的一篇综述文章，发表于《Chemical Reviews》期刊2023年5月的“可穿戴设备”虚拟特刊中。文章全面回顾了可穿戴电化学葡萄糖传感器在糖尿病管理中的研究进展、技术挑战及未来发展方向。

研究背景与意义

糖尿病（Diabetes Mellitus, DM）是一种全球性健康威胁，目前影响全球约4.5亿人，预计到2030年将增至6亿。糖尿病管理的核心在于实时监测血糖水平，但传统的指尖采血方法存在疼痛、操作繁琐等问题。自1960年代首款酶基葡萄糖传感器问世以来，电化学生物传感器因其高灵敏度、实时监测潜力成为研究热点。近年来，可穿戴设备的兴起为无创或微创监测提供了新途径，例如通过汗液、唾液、泪液和间质液（Interstitial Fluid, ISF）等替代体液实现血糖监测。本文旨在系统梳理可穿戴电化学葡萄糖传感器的技术原理、发展历程、应用场景及商业化前景。

主要观点与论据

1. 电化学葡萄糖传感机制

葡萄糖传感器的核心机制分为酶基（enzymatic）和非酶基（nonenzymatic）两类：
- 酶基传感器：依赖葡萄糖氧化酶（GOx）或葡萄糖脱氢酶（GDH）催化反应。第一代传感器通过检测H₂O₂生成量反映葡萄糖浓度，但易受氧气限制和电活性物质干扰；第二代引入氧化还原介质（如二茂铁）降低工作电位；第三代通过直接电子转移（DET）消除介质依赖，但技术尚未成熟。
- 非酶基传感器：基于金属（如铜、镍）或碳纳米材料直接催化葡萄糖氧化，虽无需酶但特异性较低。
支持证据：文中列举了各代传感器的典型设计（如Medisense Exactech第二代传感器）及性能数据，例如第三代传感器的电子隧穿效率与蛋白层厚度（~13 Å）的关系。

2. 可穿戴传感器的技术演进

从笨重的台式设备（如1975年YSI 23A）到便携式血糖仪（1980年代），再到连续葡萄糖监测（CGM）系统（如1999年GlucoWatch），技术发展显著提升了监测便捷性。近年来的创新包括：
- 微针（Microneedle）技术：通过空心微针提取ISF，或直接在针尖集成传感器（如2014年自供能生物燃料电池微针）。
- 反向离子电渗（Reverse Iontophoresis, RI）：利用电场驱动ISF中的葡萄糖迁移至皮肤表面，但存在采样量低和皮肤刺激问题。
案例：图3展示了里程碑式技术，如Noviosense泪液传感器（2018年）和集成微流控的汗液传感器（2016年）。

3. 多生物流体的传感策略

• 汗液传感器：通过微流控通道（如PDMS或纸基）控制汗液流动，结合动态pH和温度校正提升准确性（图6）。例如，2019年报道的触控式传感器可在静息状态下检测指尖汗液葡萄糖。
  
• ISF传感器：微针或RI技术提取ISF，其葡萄糖浓度与血液高度相关（滞后约10-15分钟）。
  
• 泪液与唾液传感器：泪液通过接触透镜（图9）监测，唾液则依托口腔护具或奶嘴形设备。
  

4. 商业化进展与挑战

目前主流CGM产品（如Dexcom、Abbott）可连续工作10-14天，但成本高且需校准。新兴技术如自供能传感器和闭环人工胰腺（如2021年微针-胰岛素联用系统）展现了个性化管理的潜力。

意义与价值

本文的价值在于：
1. 学术层面：系统总结了传感机制、材料创新和集成技术的突破，为未来研究提供路线图。
2. 应用层面：指出无创监测的临床转化瓶颈（如汗液-血液相关性争议），并强调多模态传感（如葡萄糖-乳酸-酮体联测）和闭环系统的必要性。

亮点与创新

• 技术全面性：涵盖汗液、ISF、泪液、唾液四种生物流体的传感器设计。
  
• 跨学科视角：融合电化学、微流控、柔性电子和临床医学知识。
  
• 前瞻性观点：提出通过算法校正个体差异（如汗率）以提升数据可靠性。
  

本文不仅是一份技术综述，更为糖尿病管理的未来指明了从实验室到市场的关键路径。