生酮飲食在治療慢性疾病方面引起了人們極大的興趣，但長期的生酮飲食也存在健康風(fēng)險。盡管現(xiàn)代醫(yī)學(xué)在診斷和治療方法上取得了進(jìn)步，但在這種飲食策略的個性化健康管理方面仍存在巨大差距。因此，本研究提出了一種用于實時監(jiān)測酮體和葡萄糖的可穿戴微針生物傳感器。這種微針陣列具有出色的機(jī)械性能，可對間質(zhì)生物標(biāo)記物進(jìn)行持續(xù)取樣，同時減少皮膚穿刺帶來的疼痛。垂直石墨烯具有出色的導(dǎo)電性，使傳感器具有 234.18 μA mM-1cm-2的高靈敏度和 1.21 μM 的低檢測限。將這種集成的生物傳感器用于人體志愿者時，它在跟蹤動態(tài)代謝物水平方面顯示出了具有吸引力的分析能力。此外，評估結(jié)果與商業(yè)血液測量結(jié)果具有顯著的相關(guān)性?？傊@種經(jīng)濟(jì)高效的傳感平臺有潛力促進(jìn)生酮飲食在個人營養(yǎng)和健康管理中的廣泛應(yīng)用。

關(guān)鍵詞：生酮飲食 酮體 微針生物傳感器 間質(zhì)生物標(biāo)記物 垂直石墨烯

過去幾十年來，隨著全球肥胖人口的增加，低碳水化合物飲食應(yīng)運(yùn)而生。生酮飲食（KD）因其作為癲癇飲食療法的成功而大受歡迎。它是一種高脂肪、低碳水化合物飲食，迫使人體燃燒脂肪作為能量來源并產(chǎn)生酮體。當(dāng)人體在極低糖狀態(tài)下無法通過消耗葡萄糖產(chǎn)生能量時，就會產(chǎn)生酮體。酮體是脂肪氧化代謝過程中的中間代謝產(chǎn)物，包括乙酰乙酸、β-羥基丁酸（HB）和丙酮。其中，HB 是生酮飲食中內(nèi)源性產(chǎn)生的主要能量底物，目前已被廣泛用于治療各種健康指征，如癲癇發(fā)作、糖尿病、肥胖癥、阿爾茨海默病、 及其他疾病。用于治療癲癇和阿爾茨海默病的生酮飲食可能會導(dǎo)致低血糖癥。對于糖尿病患者來說，酮體的過度積累可能會導(dǎo)致糖尿病酮癥酸中毒，而這被定義為一種可能危及生命的疾病。

目前，測量酮體和葡萄糖水平的方法主要依靠穿刺手指反復(fù)定期采血，這會給患者帶來心理和生理上的痛苦。無創(chuàng)酮體監(jiān)測技術(shù)非常有吸引力，但大多數(shù)研究在建立與血液采樣的可靠相關(guān)性方面面臨挑戰(zhàn)。間質(zhì)液（ISF）是血液流經(jīng)毛細(xì)血管時交換形成的一種體液，它與血清和血漿樣本具有多種生物標(biāo)志物?？梢允褂枚喾N方法收集和分析 ISF，包括離子電泳法、聲波電泳法、微透析法、微針法。在這些方法中，微針陣列提供了一種直接采集ISF的無痛方法。雖然一些研究已經(jīng)證明了使用微針監(jiān)測間質(zhì)酮體水平的可行性，但大多數(shù)研究僅在體外研究中得到了證明。

迄今為止，電化學(xué)傳感器因其靈敏度高、成本低、使用方便等優(yōu)點，在生物標(biāo)記物的監(jiān)測和檢測中得到了廣泛應(yīng)用。最近，石墨烯因其比表面積大、導(dǎo)電率高、化學(xué)穩(wěn)定性好等優(yōu)異特性而被廣泛應(yīng)用于傳感器的構(gòu)建中。垂直生長在基底上的石墨烯具有特別的特征，如非團(tuán)聚的三維網(wǎng)狀形態(tài)、大量開放的超薄邊緣和可控結(jié)構(gòu)。這些特征使得垂直石墨烯具有高電化學(xué)活性和導(dǎo)電率等驚人特性。

在這里，深圳大學(xué)張學(xué)記、許太林、劉輕舟課題組研發(fā)了一種基于微針的生物傳感器，它能夠?qū)崟r監(jiān)測間質(zhì)酮和葡萄糖，可用于對保持生酮飲食的人進(jìn)行主動健康管理。這種生物傳感器由3D打印的微針和垂直石墨烯電極構(gòu)成，可實現(xiàn)間質(zhì)液標(biāo)志物的雙重檢測。當(dāng)微針按壓并刺入皮膚后，空心微針陣列可持續(xù)收集 ISF，雙分析電極則可對其進(jìn)行檢測。此外，還集成了一個最小的電化學(xué)分析儀，可通過無線數(shù)據(jù)傳輸與智能設(shè)備同步。這種集成的生物傳感設(shè)備有助于促進(jìn)生酮飲食在肥胖癥、癲癇、糖尿病和阿爾茨海默病等疾病治療中的應(yīng)用。

相關(guān)工作以“Wearable Vertical Graphene-Based Microneedle Biosensor for Real Time Ketogenic Diet Management"為題發(fā)表在《Analytical Chemistry》。

圖1. 微針生物傳感器原理圖及圖像。(a)個性化生酮飲食管理的可穿戴傳感平臺概念。(b)可穿戴微針傳感器示意圖。該可穿戴傳感器主要由微針陣列、粘附層、銀層、垂直石墨烯、襯底和液腔組成。(c)可穿戴微針傳感器的光學(xué)照片。(d) HB和葡萄糖傳感電極的試劑配置。(e)安裝在志愿者手臂上的集成的微針生物傳感器圖像。

垂直石墨烯具有三維六角蜂窩晶格結(jié)構(gòu)，因此具有比表面積大、導(dǎo)電性好和化學(xué)穩(wěn)定性好等優(yōu)異特性，一直是可穿戴傳感器研究人員的興趣所在。在本研究中，研究團(tuán)隊選擇垂直石墨烯作為電極材料，以提高生物傳感器的電化學(xué)傳感性能。

圖2. 垂直石墨烯基生物傳感器的表征與電化學(xué)性能。(a)垂直石墨烯電極的光學(xué)照片。(b)垂直石墨烯的頂部和(c)橫切面SEM顯微圖。(d)垂直石墨烯的拉曼光譜。不同電極在pbs加標(biāo)(e) 1.0 mM HB和(f) 5.0 mM葡萄糖下的循環(huán)伏安圖。(g)基于HBD的生物傳感條帶對人工ISF中連續(xù)添加0.1 mM至1.0 mM的HB的時序電流響應(yīng)以及插圖中相應(yīng)的校準(zhǔn)圖。(h)基于GOx的生物傳感條帶對人工ISF中不同葡萄糖濃度的電流響應(yīng)，連續(xù)增加1mM。(i和j)可能干擾物質(zhì)的選擇性試驗:100 μM抗壞血酸(AA)、100 μM尿酸(UA)、1.0 mM乳酸(LA)。(k) 0.1 mM HB和(l) 1.0 mM葡萄糖在ISF基質(zhì)中間隔10分鐘的操作穩(wěn)定性評價。

微針技術(shù)作為是一種前景廣闊的解決方案，能夠有效地穿透皮膚角質(zhì)層，從而增強(qiáng)透皮提取或藥物輸送的效率。重要的是，這些微針需要具備足夠的強(qiáng)度，以承受插入和穿透皮膚時的力量。在可穿戴應(yīng)用中，基于微針的設(shè)備引起的疼痛問題已經(jīng)成為日常健康管理中的一個關(guān)鍵問題。影響疼痛程度的主要受微針長度的影響。以往的研究表明，當(dāng)長度超過1000 μm時，微針引起的疼痛明顯增加。因此，在這項研究中，微針的高度被優(yōu)化為1000 μm，以最大限度地減輕應(yīng)用于人體皮膚時的痛感。金字塔結(jié)構(gòu)基于偏心通道設(shè)計，通過在中心保持堅固的支柱來增強(qiáng)微針抵抗力以便刺穿皮膚，微針的其他幾何參數(shù)如圖S3所示。研究團(tuán)隊利用摩方精密面投影微立體光刻（PμSL）3D打印技術(shù)（nanoArch® S140，精度：10 μm）成功制備了微針陣列，其尺寸為15.75 mm×15.75 mm。多個微針和單個微針的SEM圖像如圖3a和3b所示。

圖3. 微針性能評價。(a)多個微針和(b)單個微針的SEM圖像。(c和d)一個微針的結(jié)構(gòu)模擬結(jié)果。(e)微針刺入新鮮豬皮后的圖像。(f)空心微針陣列插入皮膚前后的完整率。(g-i)插入和取出微針貼片后參與者的皮膚照片。(j和k)流體分析模擬結(jié)果。(l)毛細(xì)作用下微針提取人工ISF的流量隨時間分布。

本研究通過跟蹤ISF中人體代謝物水平的變化，對基于微針的健康監(jiān)測傳感器的有效性進(jìn)行了評估。用戶佩戴配有電化學(xué)微工作站的微針傳感器，并記錄每30分鐘(30、60、90和120分鐘)攝入酮和葡萄糖補(bǔ)充劑之前(0分鐘)和之后的電流響應(yīng)。同時，將微針傳感器測量的結(jié)果與市售血酮/血糖儀測量的數(shù)據(jù)進(jìn)行比較，以建立生物傳感器用于皮下檢測的可靠性。結(jié)果表明，ISF樣本與血液樣本之間酮類分析和葡萄糖分析呈現(xiàn)較高的相關(guān)性。

圖4. 微針生物傳感器的身體性能。(a)身體測試過程示意圖，參與者佩戴微針傳感器并攝入商業(yè)酮或葡萄糖補(bǔ)充劑，電化學(xué)工作站進(jìn)行酮和葡萄糖分析，這與血酮和葡萄糖水平相關(guān)。(b和c)分別記錄酮葡萄糖補(bǔ)充前(0 min)和補(bǔ)充后(30、60、90和120 min)的相關(guān)濃度。(d) HB和(e)葡萄糖血液和ISF樣本的相關(guān)性分析。(f和g)動態(tài)測量。

總結(jié):綜上所述，本研究提供了一種用于ISF雙重檢測的微創(chuàng)傳感裝置。作為傳感器的關(guān)鍵部件，3d打印微針陣列具有優(yōu)異的機(jī)械性能，不僅可以連續(xù)提取ISF標(biāo)志物，還可以確保皮膚穿刺時的安全性。此外，電極的材料、幾何形狀和試劑配置都經(jīng)過精心優(yōu)化，以最大限度地提高生物傳感器的分析性能。在這兩種成分的協(xié)同作用下，生物傳感器表現(xiàn)出優(yōu)異的分析性能。在身體監(jiān)測期間，研究團(tuán)隊記錄受試者服用酮或葡萄糖補(bǔ)充劑前后的HB/葡萄糖水平，并將結(jié)果與血酮或葡萄糖水平進(jìn)行比較。與血液測量的強(qiáng)相關(guān)性表明，本研究中開發(fā)的傳感器有潛力作為測定代謝物水平的替代方法。通過集成電化學(xué)工作站，電化學(xué)傳感器的信號可以通過無線傳輸技術(shù)發(fā)送到移動設(shè)備，這對于實現(xiàn)以患者為中心的遠(yuǎn)程監(jiān)測具有重要意義。綜上所述，本研究證明了開發(fā)用于生酮管理的微針生物傳感器的可行性，促進(jìn)了生酮飲食在個人醫(yī)療保健中的推廣和發(fā)展。