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2018年01月01日 | 清华大学在类皮肤柔性生物器件及无创血糖测量上取得重大进展
2018-01-01
12月20日，清华大学航天航空学院柔性电子技术研究中心冯雪课题组在《科学进展》（Science Advances）期刊上发表了题为《用于无创血糖监测的电化学双通道类皮肤生物传感系统》（“Skin-like biosensor system via electrochemical channels for noninvasive blood glucose monitoring”）的研究成果，在人体皮肤表面实现医学意义上的无创血糖测量，并具有医疗级精度。该成果利用类皮肤柔性传感技术建立了新的无创血糖测量医学方法，为解决无创血糖动态连续监测提供了一条新途径，为全球数以亿计的糖尿病患者的治疗与慢性疾病的管理带来了福音。
该成果相关内容已经被《科学进展》媒体团队（Science Advances Press Package Team）推荐给《纽约时报》《华尔街日报》《经济学人》等国际知名媒体。12月21日，国际电气与电子工程师协会（IEEE）的旗舰出版物《科技纵览》（IEEE Spectrum）对该论文率先进行了专题报道，来自普渡大学和少年糖尿病研究基金会 （JDRF）糖尿病研究基金会的研究人员给予高度评价。
糖尿病已经成为威胁现代人健康和生命的重大慢性疾病。2015年全球共有超过4亿糖尿病患者，中国糖尿病患者人数超1亿，位居全球首位。通过“扎手指”取血测量血糖的方法具有疼痛感，影响糖尿病病人的生活质量和自我监测长期依从性，目前的无创连续血糖监测方法仍无法直接测量血液中葡萄糖，在准确性、便利性以及完全无创性等关键问题上仍未突破。
基于电化学双通道的无创血糖测量方法示意图和实验图
冯雪课题组发展了基于力学-化学耦合原理的电化学双通道无创血糖测量方法，利用可以与人体自然共型贴附的柔性电子器件，对皮肤表面施加不会引起皮肤不良反应的电场，通过离子导入的方式改变组织液渗透压，调控血液与组织液渗透和重吸收平衡关系，驱使血管中的葡萄糖按照设计路径主动、定向地渗流到皮肤表面，继而通过只有3.8微米厚的超薄柔性生物传感器件进行高精度测量。
为了实现皮肤表面的微量葡萄糖的精准测量，冯雪课题组结合多年的可延展柔性电子器件研究经验，基于力学原理在1.2微米厚的薄膜上制备了具有四层功能层的类皮肤生物传感器。通过制备器件表面微结构实现了纳米级厚度的电子介体电化学沉积，利用基于液体表面张力和蒸发毛细力的仿生液滴转印方法，将多层超薄生物传感器从制备基底上无损地剥离下来，实现整体厚度只有3.8微米的类皮肤柔性生物传感器的制备。该传感器具有130.4μA/mM的葡萄糖测量灵敏度和对葡萄糖的高度选择性，重复测量误差<1%。
类皮肤生物传感器及结构示意图
临床实验表明，基于该电化学双通道无创测量原理与类皮肤生物传感器的无创血糖测量系统，其对人体血糖浓度测量的结果与血糖仪及金标准静脉血血糖浓度测量结果的相关度达到0.9以上，达到了医疗级监测和诊断的标准，具有巨大应用潜力。
另外，冯雪课题组关于超薄柔性类皮肤生物传感器设计、制备和测试方法的研究成果在微电子国际顶级会议国际电子器件会议 （IEDM 2017）上发表并做邀请报告。国际电子器件会议在国际微电子领域具有权威的学术地位和广泛的影响力，主要报道国际微电子器件领域的最新研究进展，是著名高校、研发机构和行业领军企业报告其最新研究成果和技术突破的主要平台。
清华大学航院、柔性电子技术研究中心博士生陈毅豪为文章第一作者，冯雪教授是论文通讯作者，参与该工作的还有中国人民解放军空军总医院王新宴团队。该研究工作得到了科技部973计划项目、国家自然科学基金项目的资助。
史海拾趣
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