基于4D打印氧化还原响应针板仪的葡萄糖和乳酸浓度检测新策略：几何形变驱动的无创诊断技术

为解决传统生物传感器侵入性采样、高成本和便携性不足等问题，研究人员开发了基于2,2???-(乙二氧基)二乙硫醇(EDDT)和Phrozen树脂(PR)的4D打印氧化还原响应针板仪(NPM)，通过几何形变实现葡萄糖(GLU)和乳酸(LAC)的高灵敏度检测(LOD分别为0.21和0.11?μM)。该设备无需电子耦合，适用于血液、汗液和尿液样本，为资源匮乏地区提供了可重复使用的床旁诊断方案。

　　

在当今医疗诊断领域，葡萄糖(GLU)和乳酸(LAC)作为关键代谢标志物，其浓度异常与糖尿病、癌症和心血管疾病等密切相关。然而，传统检测方法面临诸多挑战：侵入性采血导致患者依从性低，大型生化分析仪价格昂贵且难以普及，而汗液、尿液等非侵入性样本的检测结果又与血液浓度相关性差。更棘手的是，世界卫生组织(WHO)至今未批准任何非侵入性GLU检测的金标准设备。这些问题在医疗资源匮乏的撒哈拉以南非洲国家(SSACs)尤为突出，当地年均19-41℃的环境温度波动进一步增加了检测的复杂性。

为突破这些技术瓶颈，来自中国的研究团队在《Materials 》上发表了一项创新研究。他们巧妙地将4D打印(3D打印+时间维度形变)技术与氧化还原响应材料相结合，开发出多功能针板仪(NPM)。这种设备通过针头的几何形变直接反映GLU和LAC浓度，无需电子设备辅助读数，其检测限(LOD)达到0.21?μM(GLU)和0.11?μM(LAC)，远超多数3D/4D打印生物传感器。更重要的是，该设备采用NaBH₄
还原实现重复使用，84天内保持稳定，且针对不同温度区间(20-26℃、27-33℃、34-40℃)设计了专用刻度，完美适应热带地区的气候特点。

关键技术方法
研究团队采用计算机辅助设计(SolidWorks 2020)构建NPM模型，通过液晶显示3D打印机(Phrozen Sonic mini 8?K)实现双材料层(EDDT-PR响应层/PR非响应层)的精准打印。利用傅里叶变换红外光谱(FTIR)验证硫醇(-SH)与磺酰基(S=O)的可逆转化，通过接触角测试表征亲疏水转变。优化参数包括：EDDT浓度(7.5?wt%)、针头尺寸(80×3×0.5?mm)、酶反应条件(GOx 5?U/mL pH5.0 20?min；LOx 0.01?U/mL pH7.0 45?min)及还原条件(1.25?wt% NaBH₄
pH6.0 60?min)。人体样本(尿液、汗液)和动物样本(大鼠血浆、胎牛血清)经0.45?μm滤膜处理后进行验证。

研究结果

3.1 NPM的制备与优化
通过系统测试发现，7.5?wt% EDDT使针头弯曲度达到峰值，而PR树脂的机械稳定性最佳。针头长度80?mm、宽度3?mm、双层厚度各0.5?mm时，应力差最显著。这种设计使针头在氧化(硫醇→磺酰基)时产生0.5?mm形变，对应浓度变化灵敏度达±2.4?μM。

3.2 材料特性表征
FTIR光谱显示，2600-2550?cm^?1
处的-SH特征峰在氧化后减弱，1070-1030?cm^?1
出现S=O新峰。接触角从104.14°(疏水)降至83.02°(亲水)，经NaBH₄
处理可逆恢复。12次氧化还原循环后，弯曲度变异仅±0.03?mm，84天储存稳定性验证了其临床适用性。

3.3 反应条件优化
GOx在pH5.0、40℃时活性最高，而LOx偏好pH7.0。值得注意的是，1.25?wt% NaBH₄
能在60分钟内实现100%还原效率。高盐基质(10000?mg/L Na⁺
)对检测无干扰，这得益于EDDT-PR材料的抗离子干扰特性。

3.4 实际样本检测
在加标实验中，NPM对GLU和LAC的回收率分别为94-105%和96-105%，与商用试剂盒(GAGO20/MAK329)相比误差小于4.2%。尤其突出的是，其在汗液样本中检测到14.465?mM LAC，与文献报道的汗液LAC浓度范围(1-25?mM)高度吻合。

结论与意义
这项研究通过4D打印技术将氧化还原化学与机械形变完美结合，创造了无需电子设备的可视化生物传感器。其创新性体现在三方面：(1)利用EDDT的硫醇-磺酰基可逆转化实现几何形变检测，规避了传统电化学传感器的信号漂移问题；(2)通过温度适配刻度设计，解决了热带地区环境温度波动带来的测量误差；(3)模块化针头设计使单个设备成本降至5美元以下，符合WHO对中低收入国家诊断设备的要求。

尽管目前仍需人工操作酶反应步骤，但该技术为开发"ASSURED"(可负担、灵敏、特异、便捷、快速、设备无关、可分发)诊断设备提供了新范式。未来通过整合微流控技术，有望实现全自动检测，这将彻底改变糖尿病等慢性病的居家监测模式，特别是在基础设施薄弱的SSACs地区。正如作者指出，该方法可扩展至其他氧化还原活性生物标志物(如尿酸、胆固醇)的检测，为个性化医疗提供新的技术平台。