基于家蚕丝腺纤维的光学葡萄糖生物传感器：一种可生物降解的即时检测新策略

本研究针对传统光纤传感器生物相容性差、不可降解等问题，创新性地利用家蚕(Bombyx mori)丝腺纤维(SGF)构建光学传感器。通过海藻酸钠包覆稳定纤维结构，结合葡萄糖氧化酶(GOx)/过氧化物酶(HRP)双酶系统和TMB显色反应，实现了2-12 mM范围内的葡萄糖检测，可直接用于全血样本。该可降解传感器为开发植入式监测设备提供了新思路。

　　

在糖尿病管理领域，持续葡萄糖监测(CGM)技术面临重大挑战。现有商业设备如Dexcom G6/G7和FreeStyle Libre虽已实现皮下监测，但存在金属组件不可降解、长期植入需手术取出等问题。与此同时，传统光纤传感器依赖玻璃/聚合物材料，其刚性结构和生物相容性缺陷限制了在体应用。自然界中，蚕丝(silk)因其优异的光学特性（可见光区透明度>93%，折射率1.55）和机械性能（拉伸强度0.5-1.3 GPa），成为替代传统光学材料的理想选择。特别是直接从家蚕丝腺提取的丝腺纤维(SGF)，具有与标准光纤相似的波导结构，同时兼具生物可降解性——这正是本研究的技术突破口。

研究团队采用多学科交叉方法，主要技术路线包括：1）从意大利杂交种(Italian Polyhybrid)、穆尔西亚金黄(Murcian Gold)和穆尔西亚绿(Murcian Green)三种家蚕品系中筛选光学性能最优的SGF；2）通过扫描电镜(SEM)和共聚焦显微镜解析SGF的微纳结构；3）采用浸渍涂覆法构建海藻酸钠(alginate)包覆的SGF光纤；4）建立基于GOx/HRP-TMB的葡萄糖比色检测体系；5）使用全血样本验证传感器的抗干扰能力。

【光学特性与结构表征】

通过比较三种家蚕品系，发现白色意大利杂交种SGF在500-1100 nm具有最宽透光窗口，其荧光发射峰位于450 nm（槲皮素衍生物）和570 nm（类胡萝卜素残余）。FIB-SEM显示SGF由直径500 nm的纳米纤维纵向组装成6-7 μm的微纤维，这种分级结构赋予其0.23 dB/cm的低传输损耗（700 nm处）。

【光纤性能优化】

未包覆SGF在润湿状态下因折射率失配导致光强衰减达60%。通过交替浸渍2%海藻酸钠和0.1 M CaCl₂溶液，形成的100-150 μm厚包覆层将水合状态下的损耗降至0.38 dB/cm，并能维持80分钟的信号稳定性。这种协同稳定作用源于：海藻酸钠延缓丝蛋白脱水，而丝芯为凝胶提供力学支撑。

【葡萄糖传感机制】

在生物功能化设计中，GOx和HRP与TMB共同固定于海藻酸钠层。葡萄糖氧化产生的H₂O₂触发TMB显色反应，在632 nm处产生特征吸收。通过监测前2分钟的动力学斜率，传感器在1-6 mM范围内呈现9.3 a.u./(mM·s)的灵敏度，检测限达0.1 mM。值得注意的是，海藻酸盐的3.4-5.0 μm孔径可有效阻隔红细胞（7.5-8.7 μm），消除血红蛋白在540/575 nm的干扰吸收。

【全血检测验证】

对1:1-1:5稀释的全血样本测试显示，传感器读数与商用检测套件结果偏差<15%。这种差异主要源于凝胶层对葡萄糖扩散的阻滞效应。尽管如此，该系统无需样本前处理的特点，显著优于需要复杂抗干扰设计的表面等离子共振(SPR)或光纤光栅传感器。

这项发表于《Sensors and Actuators Reports》的研究，首次将天然SGF的波导特性与酶促显色反应相结合，创建了完全可生物降解的光学传感平台。其创新性体现在：1）利用蚕丝固有的分级结构实现高效光传导；2）通过生物高分子复合解决水合稳定性难题；3）海藻酸盐的双重功能（尺寸排阻+酶固定载体）。虽然当前系统在长期植入稳定性方面仍需优化（如尝试明胶甲基丙烯酰基替代海藻酸盐），但已为开发新一代可吸收式CGM设备奠定了关键技术基础。从更广泛的角度看，这种"自然启发"的传感策略，为其他代谢物的原位监测提供了普适性技术框架。