一种基于防污涂层的可穿戴连续血糖监测设备

本发明属于电化学传感器，具体涉及一种基于防污涂层的可穿戴连续血糖监测设备。

背景技术：

1、糖尿病是一种影响全球数亿人的慢性代谢性疾病，会带来严重并发症，甚至可能造成致命后果。血糖水平测量被确定为糖尿病诊断和管理的临床金标准，但目前常用的血糖监测方法涉及频繁的手指点刺葡萄糖测试和相关副作用，如疼痛和感染风险等。因此，目前连续血糖监测(cgm)设备有望在监测血糖方面发挥关键作用，并成为糖尿病患者护理的新标准，这是由于cgm技术通过提供个性化治疗、减少并发症和提高糖尿病患者的生活质量，彻底改变了糖尿病的管理方式。目前，已经发展了一些商业化产品例如，美敦力minimed670g和abbott freestyle libre。但仍然面临一些挑战，例如针头相对较长，会引起疼痛和不适，以及成本相对较高的问题等等。

2、随着cgm技术的不断发展，为弥补这些缺陷，提高患者的生活质量做了许多的努力，yang jian等人(development of smartphone-controlled and microneedle-basedwearable continuous glucose monitoring system for home-care diabetesmanagement[j].acs sens,2023,8(3):1241-1251.)引入了一种智能手机控制和基于微针的可穿戴连续血糖监测系统，用于家庭护理糖尿病管理。该cgm系统由一次性葡萄糖传感器、可重复使用的cgm设备和智能手机应用程序组成。对微针的结构进行了优化，将小型化的电化学传感电极集成在单个空心微针中，一定程度上保证了检测的准确性，同时减轻了患者的痛苦以及降低了成本。然而，在植入后，葡萄糖传感器呈现出由异物反应产生的动态微环境，蛋白质会污染传感器表面造成信号的延迟、不稳定或衰减等等。目前在设备上构建防污涂层被认为是解决生物污垢问题的最直接和最有效的方法。例如，jonathan sabatédel río等人(an antifouling coating that enables affinity-basedelectrochemical biosensing in complex biological fluids[j].natnanotechnology,2019,14(12):1143-+)通过创建一个由bsa与导电纳米材料(包括金纳米线(aunws)、金纳米颗粒(aunps)或碳纳米管(cnt))交织组成的三维(3d)纳米复合矩阵来克服这个问题，解决了电化学生物传感器在暴露于血浆或血液等生物体液时无法维持传感功能。

3、基于以上背景，开发一种连续准确的且能减轻患者痛苦以及较低成本的cgm设备是具有重要意义的。因此，本发明给出了一种基于防污涂层的可穿戴连续血糖监测设备及其制备方法。

技术实现思路

1、本发明在智能手机控制和基于微针的可穿戴连续血糖监测系统的基础上(development ofsmartphone-controlled and microneedle-based wearablecontinuous glucose monitoring system for home-care diabetes management[j].acssens,2023,8(3):1241-1251.)，在工作电极表面构造防污涂层，赋予工作电极优异的防污性能，从而提供了一种基于防污涂层的可穿戴连续血糖监测设备，其能够起到长期连续准确的监测血糖、且能减轻患者痛苦的作用。该cgm设备具有较高的灵敏度、抗干扰性较强、较低检测限和较强的稳定性等优势，不仅减轻了患者痛苦的问题，而且解决了在长期监测过程中体液中杂质对电极损耗进而造成信号偏移、延迟和衰减的问题。

2、如图1所示，本发明所述的一种基于防污涂层的可穿戴连续血糖监测设备，由传感器外壳1、pcb电路2、传感器微针3和工作电极前端具有防污涂层的血糖生物传感器电极模块4组成；pcb电路2和工作电极前端具有防污涂层的血糖生物传感器电极模块4的连接示意图如图3所示；pcb电路2由传感器电池模块(battery)、集成在arduino nano开发板(arduino nano开发板是一款基于atmega328p(arduino nano 3.x)的小型、完整且易于实验的电路板，可直接购买的)上的包含模数转换器(adc)和片上系统(soc)的微控制器单元(mcu)、蓝牙模块和手机端app等部分组成；传感器电池模块(battery)为传感器提供电能，通过mcu模块可以将来自电极模块4的与血糖浓度有关的电流模拟信号转换为数字信号，通过蓝牙模块可以将数字信号通过无线模式传输给智能手机。

3、将电极模块具有防污涂层的工作电极前端置入0.1m pbs溶液中，每隔20s向0.1mpbs溶液中加入葡萄糖，使葡萄糖的终浓度分别为1mm、2mm……、15mm…；然后利用计时安培电流法连续测量工作电极与对电极间的电流信号，通过mcu模块将模拟信号转换为数字信号；用户登录手机端app，电极模块通过蓝牙模块与手机端app建立连接，手机端app接收蓝牙模块传输来数字信号，建立“响应电流强度-葡萄糖浓度”关系曲线，构建得到基于防污涂层的可穿戴连续血糖监测设备的定量检测平台；再将电极模块具有防污涂层的工作电极前端置入待测样品中，利用计时安培电流法连续测量工作电极与对电极间的电流信号，通过mcu模块将该模拟信号转换为数字信号并通过蓝牙模块传输到手机端app，手机端app根据建立的“响应电流强度-葡萄糖浓度”关系曲线，分析计算得到待测样品的葡萄糖浓度，并在屏幕上显示，从而实现利用基于防污涂层的可穿戴连续血糖监测设备对血糖的连续检测。

4、进一步的，是将具有防污涂层的工作电极前端置入微针3内，再将微针3刺透人体皮肤后置于人体间质液(isf)中，利用计时安培电流法连接测量工作电极与对电极间的电流信号，通过mcu模块将模拟信号转换为数字信号并通过蓝牙模块传输到手机端app，手机端app根据建立的“响应电流强度-葡萄糖浓度”关系曲线，分析计算得到待测样品的葡萄糖浓度，并在屏幕上显示，从而实现利用基于防污涂层的可穿戴连续血糖监测设备对血糖的连续检测。

5、本发明所述的一种工作电极前端具有防污涂层的血糖生物传感器电极模块，其是由如下步骤制备得到：

6、(1)mxene纳米片的制备

7、首先用分析天平称取1.0～3.0g lif加入20～30ml、8～10m hcl溶液中，得到含有hf的溶液；再在冰水浴条件下多次缓慢加入总质量1.0～3.0g ti3alc2粉末，使其与hf充分接触，在30～50℃、400rpm下保持20～28h，得到黑色反应液；其次将得到的黑色反应液离心收集沉淀，用去离子水反复清洗沉淀，离心至上清液ph为5.5～6.5；然后将得到的黑色沉淀物分散到去离子水中，离心1～2h，得到深色的上清液，即mxene悬浮液，冻干后得到mxene纳米片；

8、(2)聚多巴胺修饰的mxene纳米片(mxene@pda)的制备

9、首先，将300～800mg步骤(1)制备的mxene纳米片分散到100～200ml去离子水中，超声1～2h得到mxene分散液；随后将10～30ml、10mg/ml的盐酸多巴胺(da)去离子水溶液缓慢加入到mxene分散液中，用三羟基甲基氨基甲烷盐酸盐缓冲液(tris)和稀释的hcl溶液将ph值调节至8.0～9.0；将得到的混合物在室温下磁力搅拌20～30h，再将沉淀用去离子水多次洗涤，冻干后得到mxene@pda粉末；

10、(3)具有保护层的工作电极的制备

11、首先将40～60mg步骤(2)得到的mxene@pda粉末分散到10～20ml去离子水中，得到5mg/ml的mxene@pda溶液；其次将10～20mg牛血清蛋白(bsa)溶解到1～2ml去离子水中，得到10mg/ml的bsa溶液；再取1～2ml的mxene@pda溶液与1～2ml的bsa溶液，在超声处理下混合3～8min制备得到包衣溶液，加入400～600μl、体积分数50％的戊二醛(ga)水溶液并在室温下混合，得到悬浮液；取2～5μl所得悬浮液滴到电极模块中的工作电极前端表面，将工作电极在20～30℃下孵育20～30小时，再在80～150rpm振荡下用0.1m pbs冲洗20～40分钟，并使用n2气流吹干，得到具有保护层(bmpdh)的工作电极；

12、电极模块由工作电极、对电极和参比电极的三电极体系组成，其结构如图2所示，该电极模块的制备方法如文献development of smartphone-controlled andmicroneedle-based wearable continuous glucose monitoring system for home-carediabetes management，acs sensors，volume 8issue 3，page 1241-1251所述。其中工作电极、对电极的材料为碳，参比电极的材料为碳和ag/agcl。

13、(4)工作电极前端具有防污涂层的血糖生物传感器电极模块的制备

14、将带有保护层的工作电极在含有0.3～0.5m 1-乙基-(3-二甲基氨基丙基)碳酰二亚胺(edc)和0.05～0.2m n-羟基琥珀酰亚胺(nhs)的0.1m pbs缓冲液中活化0.5～2.0小时，然后将活化后的带有保护层的工作电极加入到3～8μl、10mg/ml的葡萄糖氧化酶(gox)去离子水溶液中反应过夜，通过酰胺键将gox附着在保护层表面，形成葡萄糖氧化酶(gox)层；再将3～8μl、10％v/v的改性磺酸盐基聚氨酯(mpu)去离子水溶液滴在葡萄糖氧化酶(gox)层表面，形成改性磺酸盐基聚氨酯(mpu)层；最后在n2条件下干燥，即得到工作电极前端具有防污涂层的血糖生物传感器电极模块，于4℃的pbs缓冲液(ph＝7.4)中保存。

15、本发明制备的工作电极前端具有防污涂层的血糖生物传感器电极，其首先是在二维金属碳氮化物(mxene)表面修饰聚多巴胺，增强电子传输能力，然后与牛血清蛋白(bsa)混合之后再通过戊二醛进行交联得到蛋白质水凝胶结构，在电极表面形成强的水合层从而避免其他蛋白质的非特异性吸附；所述的反应主要是戊二醛的醛基与bsa的氨基发生交联反应形成蛋白质水凝胶三维网络结构，同时也有利于葡萄糖氧化酶(gox)的负载；该蛋白质水凝胶结构具有天然良好的生物相容性和不依赖表面的锚定能力，有利于生物传感器电极在生物体中的应用。

16、本发明的优势是：

17、1、防污涂层可以有效的解决其他蛋白质的非特异性吸附导致在长期监测过程中电极的损耗进而造成检测信号偏移、延迟和衰减的问题。

18、2、通过构建arduino nano微处理器、蓝牙模块构建了连续血糖监测的仪器，可以通过手机客户端实时监控血糖浓度，减轻了患者的痛苦同时降低了使用成本。