隨著醫療技術的進步，智能醫療領域的突破使實時患者數據的收集和主動診斷成為可能醫療技術的進步。因為葡萄糖是細胞重要的能量來源，所以監測葡萄糖指標的穩定對于最大程度減少糖尿病相關問題至關重要。然而，盡管市售的葡萄糖監測設備種類繁多，但重復血液測試帶來的痛苦和復雜的電力需求仍是監測設備存在的缺點。

為了解決這些缺點，Min-Hsin Yeh與團隊提出了基于自修復水凝膠的摩擦電生物傳感器（GAH-TES）。在葡萄糖存在的情況下，動態水凝膠網絡的調制導致電導率變化從而提高電性能。再引入摩擦生電納米發電機（TENG），實現通過人體排汗的汗液實時監測高血糖水平，從而實時監測糖尿病。相關研究成果以“Enabling glucose adaptive self-healing hydrogel based triboelectric biosensor for tracking a human perspiration”為題發表在Nano Energy期刊上。

基于自修復水凝膠的摩擦電感應傳感器（GAH-TES），用于汗液監測

包裹在β-環糊精（β-CD）中的葡萄糖氧化酶（GOx）由于其可拉伸性、無毒性和高選擇性而被摻入PVA基質中。GAH在有葡萄糖時有響應，GOx酶促反應氧化葡萄糖后產生葡萄糖酸與H?O?。當葡萄糖濃度升高時離子強度的增加使得機械化學鍵斷裂從而導致滲透溶脹，增加了水凝膠基質的電導率，而電導率的變化促進了TENG系統摩擦起電。GAH是一種柔性電導體，并且在接觸帶電過程中表現出強烈的極化效應。當GAH吸收的葡萄糖濃度從0增加到500 μM時，TENG有更高的輸出性能。GAH-TES成功實現了自我驅動和連續的血糖監測。

PVA作為GAH的基礎網絡。β-CD作為該水凝膠的受體連接PVA構成的基礎網絡上。為了確保GOx存在于穩定的環境下，將其通過非共價包裹在β-CD的空腔中。檸檬酸（CA）交聯的存在提供了氫鍵和額外的結合位點，使β-CD和GOx之間形成的包合物穩定，如圖1（a）所示。該研究通過對PVA/CA/β-CD水凝膠進行了衰減全反射傅里葉變換紅外光譜（ATR-FTIR）分析，將CA交聯PVA水凝膠與純PVA水凝膠進行比較，顯示在1712 cm?1附近出現了新的振動帶，這表明C=O的形成，證實了CA在PVA基水凝膠中的化學交聯，如圖1（b）所示。

圖1（a）葡萄糖適應性水凝膠（GAH）的制備；（b）PVA水凝膠、不含GOx的PVA交聯CA和GAH的ATR-FTIR光譜；（c）GAH

由于GAH基于GOx 酶促反應進行葡萄糖濃度的監測，酶促反應會導致水凝膠溶脹從而影響吸水能力和機械強度。該研究為了確定水凝膠中最佳PVA濃度，研究了PVA水凝膠的溶脹時間。將含有5%、10%和15% wt PVA水凝膠浸泡在含有200 μM H?O?的PBS溶液觀察溶脹速率，得出PVA水凝膠的最佳吸收時間為60 min，如圖2a。而就高強度和吸收能力而言，10 wt% PVA是制備GAH的最適配比。研究人員研究了最適配比10 wt% PVA下GAH對H?O?吸附效率與電導率的關系及水凝膠的溶脹效率，如圖2b。當H?O?濃度從0增加到500 μM時，基于PVA水凝膠的TENG的輸出電壓增加，如圖2c和2d所示。

圖2（a）不同PVA水凝膠溶脹時間的優化；（b）10 wt% PVA水凝膠的H?O?吸附容量和電導率；（c）基于PVA水凝膠的TENG吸附H?O?的輸出電壓；（d）含0 ~ 500 μM H?O?PVA水凝膠電導率測量和歸一化輸出電壓

接下來，文章給出了GAH-TES傳感器中TENG的測試。對于汗液0 ~ 500 μM葡萄糖濃度的實時檢測，結果顯示當葡萄糖濃度從0增加到500 μM時，TENG的輸出電壓信號變化為15 V ~ 65 V。并再次進行重復檢測，如圖3c。文章根據微觀歐姆電磁定律，提出了酶促反應過程中產生的電荷增加與水凝膠電導率增加的比例關系，測試了在不同葡萄糖濃度下，PVDF表面電荷增加以及水凝膠電導率增加的類似趨勢，如圖3d。該現象可由GAH的界面極化來解釋，即H?O?氧化產生的H?和PVDF與GAH界面積聚的空間電荷形成的界面極化引起的離子極化效應可以提升摩擦電性能，圖3e給出了相應的示意圖。

圖3 GAH-TES檢測人造汗液中0 ~ 500 μM葡萄糖時的TENG輸出：（a）電壓響應；（b）表面電荷響應；（c）重復檢測葡萄糖的GAH-TES校準曲線；（d）GAH-TES檢測0 ~ 500 μM葡萄糖時電導率和表面電荷的校準曲線；（e）GAH-TES中極化效應示意圖

之后，該研究展示了GAH-TES用于人工汗液葡萄糖監測傳感性能的相關測試。首先驗證了GAH-TES信號主要由葡萄糖影響，尤其在葡萄糖為400 μM時，表現出了高選擇性，如圖4a。并對該傳感器具備長期穩定性、再現性和可重復性進行了測試，如圖4b-4d。

圖4（a）GAH-TES在存在干擾物的情況下對葡萄糖監測的特異性研究；（b）GAH-TES連續9天檢測200 μM 葡萄糖濃度下的電壓信號；（c）三種GAH-TES的再現性測試即用于檢測人體汗液中0 ~ 500 μM葡萄糖濃度的TES；（d）五次循環0和200 μM濃度下葡萄糖下GAH-TES的重復性測試

此外，研究人員又對GAH-TES的自修復和彎曲穩定性做了測試。通過搭建電路來直觀地展示GAH的自修復特性，如圖5a-5b所示。通過對GAH進行超過3000次循環長期彎曲，得到GAH-TES在存在機械運動的情況下仍能提供穩定和可靠的電信號，如圖5c所示。

圖5（a）GAH 在自修復過程中電路示意圖；（b）不同GAH狀態下LED燈響應的亮度變化照片；（c）彎曲測試前后GAH和輸出電壓的照片30000次彎曲測試循環后GAH-TES的輸出電壓

最后，該研究給出了自供電GAH-TES在人體汗液血糖監測中的實際應用。即當葡萄糖濃度過高時，GAH-TES的電壓信號就會有所響應并點亮LED，如圖6a。并對實際汗液樣本下葡萄糖濃度變化時GAH-TES帶來的響應進行了測試，如圖6b所示。

圖6 （a）自供電GAH-TES高葡萄糖濃度警報演示；（b）在實際汗液樣本中檢測餐前和餐后葡萄糖的GAH-TESs響應

綜上所述，該基于自修復水凝膠的摩擦電感應傳感器（GAH-TES）可用于人體汗液中的無創葡萄糖監測，并且該設備具備長期穩定性、可再現、可重復使用的特性。

論文鏈接： https://doi.org/10.1016/j.nanoen.2023.108513