基于合成水凝胶电极的可穿戴连续血糖监测系统皮肤顺应性提升研究

《Advanced Science》：Improving the Skin-Conformability of Wearable Continuous Glucose Monitors With Synthetic Hydrogel Electrodes

本文报道了一种新型酶促水凝胶电极（GelZymes），通过合成生物电子学策略将酶膜与电极集成于单一三维结构，解决了传统酶电极的机械与界面不匹配问题。该电极兼具组织样粘弹性（低模量、可拉伸、粘附性）和高生物电化学性能，为实现无创、组织集成的连续血糖监测（CGM）提供了新范式。

　　

1 引言

生物传感器自20世纪50年代Leland Clark发明首个葡萄糖传感器以来，已成为将生物反应转化为可量化信号的关键工具。葡萄糖生物传感器的核心是酶膜，它催化电极上的葡萄糖氧化反应，将其转化为可检测的电信号。尽管第一代（氧介导）、第二代（介质介导）和第三代（直接电子转移，DET）酶膜在灵敏度和选择性方面取得了进展，但它们通常由刚性聚合物制备，存在机械脆性和与软组织界面不匹配的问题。近年来，可拉伸或粘弹性酶膜的开发成为研究焦点，但材料解决方案的缺乏限制了其发展。本文报道的GelZymes通过三维多网络水凝胶设计，首次将酶膜和电极集成于单一结构，简化了制造流程并消除了界面稳定性问题。

2 结果与讨论

2.1 GelZymes的设计策略

传统酶膜因需嵌入刚性聚合物以确保电荷转移效率，且采用层状组装结构，导致机械性能差和界面不稳定。GelZymes的设计策略包括：构建可拉伸的聚丙烯酸（PAA）/聚丙烯酰胺（PAAM）网络和导热的聚（3,4-乙烯二氧噻吩）聚苯乙烯磺酸盐（PEDOT:PSS）网络；将酶和介质（如二茂铁）直接交联到水凝胶网络中，避免分层结构；通过优化组分浓度和工艺条件，最大化酶效率。

2.2 GelZymes的合成

合成过程分为三步：首先，通过光交联制备可拉伸的PAA/PAAM水凝胶网络，并交联功能化二茂铁介质；其次，在二甲基亚砜（DMSO）中处理，形成次级PEDOT:PSS导电网络；最后，在室温下通过温和的浸泡过程将功能化葡萄糖氧化酶（GOx）交联到水凝胶网络中。傅里叶变换红外光谱（FTIR）和X射线光电子能谱（XPS）证实了酶的成功固定。电子传递机制包括直接电子转移（DET）和介质介导电子转移（MET），得益于三维结构中缩短的传输路径。

2.3 GelZymes的电机械与酶动力学特性

GelZymes表现出高粘弹性，电导率约250 S/m，在50%应变下仍保持稳定。循环伏安法（CV）显示典型的二茂铁氧化还原峰，且在应变下保持稳定。酶动力学分析表明，速率常数（K_f）随酶负载量增加而提高，引入二茂铁介质可进一步提升电子传递效率。传感器在50 μM至10 mM葡萄糖浓度范围内呈线性响应，平均绝对相对差（MARD）约6%，适用于汗液等体液检测。

2.4 GelZymes的规模化制备

通过一步法水相工艺可实现GelZymes的大规模生产，膜厚可控（50–500 μm），并可切割成任意形状。引入单宁酸（TA）可增强粘附性，而不影响酶功能。

2.5 基于GelZymes的胶带式无创CGM

将GelZymes粘贴于医用胶带制成“胶带-CGM”，可与定制电位仪集成，实现汗液葡萄糖的实时监测。系统在7天内保持稳定性能，与商业FreeStyle CGM比对结果显示良好相关性，差异可能源于汗液与血糖关联性及采集条件。

3 结论

GelZymes通过三维集成电极结构和组织样粘弹性，突破了传统酶电极的局限。其合成策略为开发非侵入式、皮肤集成生物传感器提供了新途径。未来需解决与功能性层（如半透膜）的集成挑战。

4 方法

材料包括PEDOT:PSS、丙烯酸、葡萄糖氧化酶等；合成涉及光交联、溶剂交换和酶固定；传感器通过丝网印刷制备；电化学测试采用CV和计时安培法。