Science子刊：中山大学谢曦教授和蒋乐伦教授等在仿生微针阵列糖尿病诊疗一体化设备领域取得新进展
近日，中山大学电子与信息工程学院谢曦课题组与生物医学工程学院蒋乐伦教授课题组研发了一种仿生动物咀嚼系统的微针阵列可穿戴诊疗一体化设备，应用于糖尿病的多元化传感和治疗，相关研究成果发表在Science Advances，论文题目是：“Masticatory system–inspired microneedle theranostic platform for intelligent and precise diabetic management”，中山大学博士生杨静波为第一作者，谢曦教授和蒋乐伦教授为共同通讯作者。
糖尿病是一种危害人体健康的常见型代谢性疾病，如果不对其进行有效监测与及时治疗，将导致各种组织、器官的损害，严重威胁患者的健康。患者还常因渗透性利尿、腹泻和呕吐导致钾离子和钠离子等电解质失衡。同步地连续监测葡萄糖、钾离子和钠离子等多种生化指标，更有利于深入理解糖尿病的发展机制，指导糖尿病的治疗和并发症预防。目前血糖检测主要是通过手指刺血采样，再根据检测结果调节注射胰岛素剂量。此外，胰岛素注射金属针头会带来疼痛、出血和感染等风险。这种传统方式给病人带来许多不便与痛苦，而且只能采集到零散的血糖值。皮下植入式长电极容易诱发皮下炎症和组织纤维化问题，而导致检测准确性下降。因此，开发出能同时监测血糖并智能治疗糖尿病的闭环可穿戴系统具有临床迫切性。虽然也有研究者提出了多种新型技术的无创检测设备，如：近红外光谱检测、泪液检测、唾液检测、汗液检测等，但由于无法直接接触到体内组织液或血液，对于血糖监测尚未能取得临床认可。近些年来，由于微针阵列技术具有无痛、微创以及生物安全的优点，被广泛应用于生物传感或经皮给药。但植入式微针电极的形式在组织液中容易产生“氧匮乏”难题，而且细小的电极面积会限制多参数传感性能。
图一：仿生微针阵列糖尿病诊疗一体化设备的结构示意图和原理图。
受动物咀嚼系统(咬肌+牙齿+舌头+口腔黏膜)的启发，谢曦教授课题组和蒋乐伦教授课题组设计了一种可穿戴的非植入微针诊疗一体系统（MNTP），主要包括：1）非植入式微针多参数传感器；2）微型电路控制器及加压模块；3）微针-蠕动泵胰岛素给药模块，可实现皮肤穿刺后同步检测葡萄糖/离子浓度，并智能调控胰岛素递送降血糖。该系统仿生了动物口腔牙齿（微针仿生）咬穿肉类、用舌头（传感阵列仿生）感受糖、离子等味觉，并通过口腔（药物递送仿生）分泌唾液的过程。本系统的微针通过加压系统控制微针穿刺皮肤，组织间液的外渗到微针底部多参数微电极阵列，实现葡萄糖和钾钠离子的检测。此外，通过修饰碳纳米材料的皮外传感器，使组织间液能够在富氧环境中进行检测，这一特性克服了植入电极在体内“缺氧”的难题和电极长期植入的生物安全问题。MNTP的仿生、智能、非植入和闭环特征使该系统为糖尿病患者提供了一种新型的诊疗方案。此外，该系统具有扩展到其他各种慢性疾病、推动新一代的个性化医学治疗的潜力。
谢曦教授简介：
http://seit.sysu.edu.cn/teacher/303
蒋乐伦教授简介：
https://bme.sysu.edu.cn/teacher/teacher01/1400944
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