基于微流控芯片技術(shù)的無創(chuàng)血糖監(jiān)測綜述*

王玄燁，禚文瀚，崔悅悅，胡滿芳，范雨薪，韋會鴿

（天津科技大學(xué)化工與材料學(xué)院，天津 300170）

0 引 言

糖尿病是全球患病率最高的慢性病之一，不僅會對人類的健康造成嚴重的威脅，甚至還會影響國家經(jīng)濟發(fā)展。早期的血糖監(jiān)測基本上采取指尖采血的方式［1］，在給使用者帶來痛苦的同時還會有傷口感染的風險。此外傳統(tǒng)的血糖監(jiān)測如生物酶基血糖儀會有較大的局限性，酶的活性高度依賴溫度、pH值等外界環(huán)境影響，測得的結(jié)果誤差較大。所以在減小創(chuàng)傷的同時還需提高監(jiān)測的精度。

目前，基于微流控芯片［2，3］的無創(chuàng)血糖監(jiān)測憑借自動化能力強［4］、與可穿戴式的體外臨床設(shè)備兼容［5］等特點已逐漸在醫(yī)療方面得到推廣應(yīng)用。這種血糖監(jiān)測能夠?qū)ζ咸烟沁M行非酶促測量［6］，提高監(jiān)測靈敏度和數(shù)據(jù)的重現(xiàn)性；也可以結(jié)合可生物降解的紙基材料制備分析設(shè)備對葡萄糖進行定量分析［7］，減少樣品消耗以及檢測的時間。本文從微流控芯片的關(guān)鍵技術(shù)、在血糖監(jiān)測上的應(yīng)用以及國內(nèi)外產(chǎn)品研究現(xiàn)狀進行總結(jié)，并進一步探討未來的發(fā)展趨勢。

1 微流控芯片關(guān)鍵技術(shù)

微流控芯片主要由微流道、微閥門、微泵和微反應(yīng)器等組成，其中微流道是核心部件，不僅可以實現(xiàn)非侵入式監(jiān)測［8］，其尺寸結(jié)構(gòu)、轉(zhuǎn)運效率及流體控制特性也將直接影響到檢測精度。對于微流控芯片本身而言，多功能、高集成和微型化也是其發(fā)展的關(guān)鍵因素［9］。

1.1 微流道設(shè)計

1.1.1 光刻技術(shù)

光刻技術(shù)是通道設(shè)計中最基本的技術(shù)，將光罩上的圖案通過曝光和顯影工藝轉(zhuǎn)移到光敏材料上，形成微型通道結(jié)構(gòu)，可以實現(xiàn)精確的通道形狀和尺寸控制。Nady E 等人［10］通過質(zhì)子束光刻以及傳統(tǒng)的紫外光刻技術(shù)相結(jié)合，將聚二甲基硅氧烷（polydimethylsiloxane，PDMS）微結(jié)構(gòu)集成到PDMS微型器件中，減少了材料消耗。通過適當?shù)奈⒂^結(jié)構(gòu)規(guī)劃制作出外圍為圓柱形，內(nèi)置微流道的微型混合器。利用紫外可見光光譜法進行混合測試并發(fā)現(xiàn)，這種微流道結(jié)構(gòu)的設(shè)計可以顯著提高混合器混合效率（可達82%）。

現(xiàn)如今又衍生出一種軟光刻技術(shù)［11，12］，該技術(shù)具有較好的重復(fù)性，且通過調(diào)整模具設(shè)計和制備方法，可以實現(xiàn)不同曲線形狀、不同寬度和深度的微流道。Mondal B等人［13］采用電火花線切割加工（wire electric discharge machining，WEDM）的方法生產(chǎn)出尺寸合適的微流道模具，經(jīng)過軟光刻制備蛇形方波微通道。這種類型的微通道具備良好的流動動力學(xué)性能［14］，可以使液體在通道中發(fā)生多次側(cè)向擴散，進而增加混合效率，并能夠減小設(shè)備尺寸。

1.1.2 熱壓技術(shù)

熱壓技術(shù)通常需要根據(jù)通道結(jié)構(gòu)制備一個硅膠或金屬制作的模具，然后將所需材料片放置于模具中，在高溫下加熱并施加壓力使聚合物材料軟化，進入凹槽并形成所需的通道結(jié)構(gòu)，再固化材料，最終脫模制得成品。這種方法可以提供監(jiān)測設(shè)備高分辨率、高靈敏度的結(jié)果。Qin Y L 等人［15］設(shè)計出增強的PDMS 模具用于熱壓印環(huán)狀烯烴聚合物（circular olefin polymers，COP）片，并通過制作用于數(shù)字核酸檢測中自動樣品數(shù)字化的芯片來演示熱壓印方法。增強PDMS模具具有小至10 μm（排水通道寬度）的高度可復(fù)制性，使得微流道設(shè)計更為方便。Jiang K等人［16］通過對壓花溫度、壓力和保壓時間等加工條件的控制，可以制作出具有高玻璃化轉(zhuǎn)變溫度的通道模具，使制得的通道具有強抗熱性和低界面能，減少通道中的滯流現(xiàn)象，提高后續(xù)的監(jiān)測精度［17］。

1.1.3 3D打印技術(shù)

近年來，3D打印技術(shù)在微流控芯片制備方面取得重大突破［18］。這種技術(shù)可以直接將設(shè)計好的微通道模型打印成實體結(jié)構(gòu)，具有高度的定制性和靈活性，適用于快速原型設(shè)計和小批量制造。Wei L等人［19］通過麥芽糖漿3D 打印制成糖絲正模制備微流道，同時將未固化的PDMS 作為中間粘合劑封裝微流道并將傳感器集成到微流控芯片中。打印所需溫度較低（約80 ℃），不僅能夠防止打印材料受熱氧化或分解，還可以顯著降低打印器件的溫度控制以及隔熱難度。

1.2 芯片設(shè)計

1.2.1 薄膜技術(shù)

隨著聚合物材料的興起，一些薄膜材料展現(xiàn)出極好的可拉伸性和可彎曲性，而現(xiàn)又有納米薄膜技術(shù)，為芯片設(shè)計帶來更高的靈敏度和特異性。Zhang Q等人［20］開發(fā)了一種以三維石墨烯纖維薄膜／殼聚糖-金納米顆粒（3D GF／CSAuNPs）微納復(fù)合材料為原料制備傳感元件，集成高效微流控芯片。其傳感平臺具有高電子轉(zhuǎn)移能力、大比表面積和多活性位點，其中大量的CS-AuNPs修飾的3D網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的GF可以促進電化學(xué)信號的增強，進而提供微流控芯片響應(yīng)迅速的特性。由于薄膜技術(shù)的制造尺度通常在微米至納米級別，與此結(jié)合的芯片需要精確匹配這些尺度，因此，確保薄膜的幾何尺寸與流體控制的要求相匹配是一個具有挑戰(zhàn)性的任務(wù)。

1.2.2 注塑技術(shù)

注塑技術(shù)通過精密的模具和控制系統(tǒng)實現(xiàn)微流控芯片的精確尺寸控制，同時可以在短時間內(nèi)生產(chǎn)大批量芯片，具有極高的可擴展性。馬秀清等人［21］以聚甲基丙烯酸甲酯（polymethyl methacrylate，PMMA）為原料通過注塑加工獲得微流控芯片，并根據(jù)極差分析測出該芯片注塑工藝的最優(yōu)工藝參數(shù)。實驗測得當熔體溫度為260 ℃，模具溫度為50 ℃，保壓壓力為60 MPa，注射速度為400 mm／s時，芯片的成型質(zhì)量最好。實際的注塑過程中，會存在難以脫模的問題，微型結(jié)構(gòu)會受到各種因素導(dǎo)致變形而復(fù)制失敗。因此，Wang Y等人［22］利用電鑄法制備鎳基復(fù)合模具鑲件。通過注塑微流控芯片進行重金屬檢測驗證了復(fù)合鑲件的低表面能、低摩擦等優(yōu)點，有利于實現(xiàn)微流控芯片的無損成型。

1.3 微反應(yīng)控制

1.3.1 微混合技術(shù)

微混合器主要分為主動式和被動式兩類［23］，主動式混合器一般采用外部施力等手段，可以實現(xiàn)快速組分的完全混合，但工藝流程較復(fù)雜；被動式混合器單純通過液滴驅(qū)動或反離子電滲等為動力，僅需依賴混合器自身的幾何形狀所產(chǎn)生的特殊流動狀態(tài)達到一定的混合效果。Hu X 等人［24］利用聚多巴胺涂層的薄磁鐵作為液滴操作的移動表面能阱（surface energy trap，SET）并引入磁性數(shù)字微流體（magnetic digital microfluidics，MDM），首次在MDM 平臺上完成可釋放的液滴分配，且該平臺與基于介電潤濕（electro wetting-on-dielectric，EWOD）的數(shù)字微流體系統(tǒng)的功能相匹配，擴展了其在體外監(jiān)測方面的應(yīng)用。

1.3.2 微分離技術(shù)

微分離常見的方法有色譜法、介電電泳法、重力沉降法等，在血糖監(jiān)測中實現(xiàn)血樣分離、分子篩選與捕獲、稀釋以及傳感器集成等應(yīng)用。糖化血紅蛋白（HbA1c）是臨床醫(yī)療上比較重要的檢測指標，其濃度與疾病治療有著直接或間接關(guān)系，如糖尿病、腎病等。為此，Hossain M D M 等人［25］研發(fā)出一種傳感器與交流場應(yīng)用微流控裝置相結(jié)合，用于同時檢測血樣中的蛋白（Hb）和8種HbA1c組分，利用分析參數(shù)（Nb等）評估兩者檢測限。Hb 和HbA1c 的分離和監(jiān)測不受復(fù)雜樣品基質(zhì)的干擾，且該方法可在沒有任何生物受體的條件下提供高精度、高選擇性、高靈敏度的監(jiān)測。

2 血糖監(jiān)測應(yīng)用

在血糖監(jiān)測方面，微流控芯片可結(jié)合光譜分析技術(shù)［26］、光纖激光技術(shù)［27］、電化學(xué)技術(shù)［28］、可穿戴技術(shù)［29］、基于自愈合水凝膠的傳感技術(shù)［30，31］等不同的手段來實現(xiàn)無創(chuàng)的效果，同時提高精度與準確性。

2.1 納米酶技術(shù)

鑒于傳統(tǒng)的酶基生物血糖儀易受溫度、pH值等環(huán)境因素影響，現(xiàn)研究出一種新型納米酶技術(shù)，即以納米材料作為酶的基質(zhì)，通過化學(xué)合成或修飾等手段將具有催化活性的基團引入其中。其尺寸結(jié)構(gòu)遠小于普通生物酶，可在較寬的溫度或pH值范圍內(nèi)保持活性。Nguyen Q H等人［32］通過離子凝膠制備了含鐵位單原子的聚γ-谷氨酸／殼聚糖水凝膠納米顆粒（PGA-Fe／CS NPs），作為模擬過氧化物酶樣的納米酶，其活性中心附近具有較多的微空間，通過多孔網(wǎng)絡(luò)減輕傳質(zhì)限制而提高了催化活性。另外他們開發(fā)了可折疊的紙微流控裝置，可在納米酶和氧化酶之間進行簡便的級聯(lián)反應(yīng)，以更加直觀地識別出目標分子，適合糖尿病的即時檢測（point-of-care testing，POCT）。Zhang P 等人［33］制備了一種無金屬、石墨狀氮化碳基納米酶，它具有雙功能級聯(lián)催化作用，與微流控裝置結(jié)合，對連續(xù)血糖監(jiān)測（continuous glucose monitoring，CGM）方面擁有極大的用處。

納米酶盡管與普通酶相比具有較大優(yōu)勢，其可再生性方面仍面臨一些挑戰(zhàn)，需進一步研究和改進。

2.2 電化學(xué)技術(shù)

電化學(xué)監(jiān)測是目前微流控分析領(lǐng)域最熱門的研究方向之一［34］，通過在電極表面催化血糖與輔助劑的氧化還原反應(yīng)產(chǎn)生電信號，利用與微流控結(jié)合設(shè)計出的微型傳感器傳輸信號形成數(shù)據(jù)，借助可穿戴技術(shù)提供靈敏的血糖監(jiān)測［28，35，36］。Noura Z等人［38］展示了一種三維紙基微流控電化學(xué)集成裝置（3D paper-based microfluidic electrochemical integrated device，PMED）的制備。該裝置基于毛細管的作用收集樣品并實時監(jiān)測汗液中的葡萄糖濃度，對葡萄糖具有良好的選擇性，在臨床相關(guān)葡萄糖濃度范圍（0 ～2 mmol／L）檢測準確度高，靈敏度高（16.8 μA／（mmol／L／cm））。

糖尿病的嚴重性主要在于其會伴隨許多并發(fā)癥［39］，同樣需要技術(shù)診斷。Li J等人［4］集成了微流控器件和光電化學(xué)（photoelectrochemistry，PEC）傳感器。該傳感器分生物陰極和光陽極兩極，其中Znln2S4納米花作光敏材料置于陽極，而催化酶作生物陰極。這類芯片能夠快速且準確地監(jiān)測葡萄糖、乳酸、丙酮酸和3-羥基丁酸4 項指標，可同時診斷糖尿病、乳酸酸中毒以及酮癥酸中毒并作出相應(yīng)治療措施。

2.3 光纖技術(shù)

一般的傳感器在進行血糖監(jiān)測時，仍舊存在葡萄糖溶液濃度與溫度測量之間的干擾問題［40］。所以，Qu J 等人［41］將帶有光纖尖端的雙參數(shù)的光學(xué)傳感器引入微流控芯片。微流控通道中分布有半球形探頭，幾乎不影響流場分布，可實現(xiàn)溶液濃度和溫度的同步檢測，且溫敏性和葡萄糖濃度敏感性有所提高。

現(xiàn)有葡萄糖傳感器主要以非酶形式檢測［42］，一些采取非酶促受體靶向的方法，而這類傳感器會由于受體聚集有結(jié)合效率低的缺陷，影響檢測限。Kim H M 等人［43］引入倍半硅氧烷（polyhedral oligomeric silsesquioxane，POSS）作為載體，合成了一種amine＠POSS-氨基苯硼酸（aminophenylboronic acid，APBA）偶聯(lián)物并依附在用光纖固定的金納米顆粒的表面上。通過分析發(fā)現(xiàn)使用POSS的非酶促受體能夠更好地與葡萄糖結(jié)合，反應(yīng)程度增加，且有效地擴大了檢測限（25.0 μmol／L）。

綜上所述，光纖的結(jié)合可以提供高靈敏度、寬范圍的監(jiān)測，是一種具有前景的血糖監(jiān)測方法。

3 國內(nèi)外產(chǎn)品研發(fā)現(xiàn)狀

目前尚未出現(xiàn)大規(guī)模商業(yè)化的微流控無創(chuàng)血糖監(jiān)測產(chǎn)品，但一些研發(fā)的產(chǎn)品顯示出微流控技術(shù)在無創(chuàng)血糖監(jiān)測的潛力，不斷帶動微流控技術(shù)的發(fā)展以及成熟度的提升。

3.1 國外研發(fā)現(xiàn)狀

3.1.1 GlucoWise

GlucoWise技術(shù)由英國MediWise公司研發(fā)。該研究結(jié)合了微流控和電磁波技術(shù)，制作出可便攜式設(shè)備，可通過夾在拇指和食指間的皮膚或耳垂上進行無創(chuàng)測量，同時也適用于連續(xù)監(jiān)測。其2021年推出的新一版GlucoWise人體試驗融合了多種波長傳感器及機器學(xué)習，獲得更加精準的結(jié)果。

3.1.2 希若嘉

希若嘉（CNOGA）血糖儀是世界首創(chuàng)的新型無創(chuàng)手指監(jiān)測裝置，采用以色列進口技術(shù)以及美國德州芯片的運算功能，提供各項指標的實時監(jiān)測，且測量效果精準，現(xiàn)已獲得中國CFDA以及歐盟CE 認證。設(shè)備將微流控與可見光譜技術(shù)結(jié)合，通過LED 光源發(fā)送波長600～1 150 nm 的光譜。經(jīng)過人體組織時，一些光會被吸收從而變色，影像部件會對變色信號進行分析，實現(xiàn)快速便捷的診斷。

3.1.3 SugarBEAT

SugarBEAT是英國Nemaura Medical公司研發(fā)的新型無創(chuàng)血糖儀，其第一個型號即可連接智能手表，并在2016 年獲得CE認證。產(chǎn)品將微流控與電化學(xué)傳感器結(jié)合，利用無刺激性的軟硅凝膠粘在皮膚上。貼片通過發(fā)射器監(jiān)測葡萄糖并以5 min為時間間隔定時傳輸數(shù)據(jù)。傳感器中的電子電流將間質(zhì)液吸引到表面，分析葡萄糖水平，可實現(xiàn)高靈活性的動態(tài)監(jiān)測。

3.2 國內(nèi)研發(fā)現(xiàn)狀

國內(nèi)的微流控技術(shù)近幾年也在呈飛躍式發(fā)展，已在不同領(lǐng)域得到應(yīng)用［44～46］。但相較于國外，基于微流控技術(shù)打造的無創(chuàng)血糖儀品牌還很少。一些國內(nèi)的公司和研究機構(gòu)正在進行研發(fā)工作，例如云眸生物公司將微流控芯片與光電傳感技術(shù)結(jié)合實現(xiàn)無創(chuàng)手段，并且積極與其他機構(gòu)合作，進行臨床試驗以驗證準確性。而其余國產(chǎn)微流控血糖儀在性能以及用戶友好度方面與國外存在一定差距。

4 總結(jié)與研究展望

本文介紹了近幾年微流控技術(shù)的發(fā)展以及在血糖監(jiān)測方面的應(yīng)用現(xiàn)狀，總結(jié)了微流控芯片的制作方法、基于微流控的血糖監(jiān)測手段。當今微型化、集成化和智能化是現(xiàn)代科技發(fā)展的重要趨勢，而微流控具備精準控制液體流動、低消耗、高通量、快分析等特點，不僅避免有創(chuàng)血糖儀給人們帶來的痛苦，還解決了體外檢測的精度問題。微流控芯片與傳感技術(shù)的結(jié)合，將血糖分析帶入到智能設(shè)備中，給人們的檢測方式帶來極大的便利。

中國基于微流控的血糖監(jiān)測還是一個處于發(fā)展初期的領(lǐng)域，根據(jù)目前，國內(nèi)有近50 家企業(yè)正在研發(fā)微流控技術(shù)，一些研究團隊結(jié)合信號檢測技術(shù)制作出微流控血糖儀，但這些成果主要集中在實驗室階段，還需驗證其可行性和準確性。此外在研究過程中還會面臨實驗結(jié)果與實際臨床應(yīng)用間的轉(zhuǎn)化、識別干擾因素對監(jiān)測準確性的影響等問題。未來國內(nèi)的研究方向包括進一步優(yōu)化芯片結(jié)構(gòu)和性能，并加強微流控無創(chuàng)血糖監(jiān)測與臨床應(yīng)用間的關(guān)聯(lián)?？傮w來說，這一領(lǐng)域?qū)碛懈嗟膭?chuàng)新和突破，為糖尿病患者或控糖群體提供更便捷的監(jiān)測手段，改善血糖管理效果。