用于糖尿病大鼠和猪血糖持续监测与调控的闭环生物电子人工胰腺贴片：微型化、低成本与高稳定性的突破

本文报道了一种创新的闭环生物电子人工胰腺贴片，通过整合瞬态可溶微针阵列与微管结构，实现了间质液葡萄糖的稳定传感（CGM）和胰岛素的高效递送。该系统采用多层传感电极和低功耗（仅0.422 mW）电渗微泵（Ag/Ag2O电极），在糖尿病猪模型中连续运行3天，血糖达标时间（TIR，3.9–10.0 mM）达≈67.98%，媲美商用系统（≈74.95%）。其总体积仅≈2 cm3，成本约10美元，为糖尿病 wearable 闭环管理提供了突破性解决方案。

　　

1 引言

糖尿病（Diabetes mellitus）是一种因胰岛素缺乏（1型）或胰岛素抵抗（2型）导致的慢性代谢性疾病，表现为高血糖（hyperglycemia），可引发心脏病、糖尿病肾病、卒中、高血压、视网膜病变和神经病变等并发症。全球超过4.15亿人受糖尿病及其并发症困扰，医疗支出高达9660亿美元，过去15年增长316%。现有疗法如每日多次胰岛素注射（MDI）或持续皮下胰岛素输注（CSII）需患者频繁自我管理，难以全天维持血糖正常范围并避免低血糖或高血糖。

人工胰腺系统（artificial pancreas systems）是最有前景的血糖调控方法，其核心包括输注泵、持续葡萄糖监测（CGM）设备和控制算法。当前商用系统（如美敦力MiniMed 770G/780G）价格昂贵（3000–8000美元），体积庞大（通常超过100 cm3），且佩戴疼痛不适。尽管近年来可穿戴设备在生物传感和药物递送领域取得显著进展，但微针存在胰岛素递送效率低、易断裂损伤组织等问题，而微管系统需外部长针辅助插入，增加设备尺寸和疼痛感。

实现糖尿病患者的实际应用仍面临重大挑战：需将整个系统微型化，包括葡萄糖传感和胰岛素泵送装置，并满足低功耗、无线化、印刷电路板（PCB）微型化设计；需确保安全、长期、连续的闭环管理，要求葡萄糖传感器和胰岛素泵高度稳定精确；需在生理代谢接近人类的大型动物中成功验证。当前可穿戴闭环贴片距实际应用仍有距离。

2 结果

2.1 系统整体工作方案

设计可长期连续管理糖尿病的可穿戴贴片的关键在于整个设备的微型化和集成。系统采用瞬态可溶微针阵列与3D打印微管集成，微针辅助微管插入皮肤后溶解，留下微管在真皮层中进行传感和药物递送。传感电极构建在微管侧壁，采用多层结构（Au/PB工作电极和Ag/AgCl参比/对电极），连续检测真皮层间质液葡萄糖，具有高稳定性。电渗微泵使用Ag/Ag₂O玻璃纤维电极和聚碳酸酯（PC）纳米多孔膜，在低电位（<1 V）下运行，无气体生成，功耗极低（0.422 mW）。PCB控制传感器和泵，通过蓝牙与智能手机无线通信。系统总直径1.5 cm，厚度≈1 cm，胰岛素储库容量≈0.88 ml，制造成本约10美元，显著优于商用系统。

2.2 稳定且部分瞬态可溶传感器的制备

传感结构采用瞬态可溶微针阵列与3D微管阵列结合，实现高效胰岛素递送和简单皮肤穿刺。微针用于刺入皮肤并引导微管插入，随后被间质液和胰岛素溶液溶解，仅留微管阵列在皮肤内进行传感和给药。微管外层作为传感器，中空内层用于药物递送。微管比中空微针更有效，因微针尖端易被气泡阻塞阻止液体释放。

制备过程包括：3D打印微管；沉积Au和Ag薄膜；Ag氯化形成Ag/AgCl参比/对电极；沉积普鲁士蓝（PB）功能化Au工作电极；电沉积聚苯胺（PANI）层稳定传感性能；顺序沉积葡萄糖氧化酶（GOD）、戊二醛（GA）、热塑性聚氨酯（TPU）和聚乙烯醇/聚乙二醇（PVA/PEG）膜。使用聚乙烯吡咯烷酮/聚乙烯醇（PVP/PVA）复合材料制备可溶微针，集成微管形成生物传感设备。微针溶解实验显示，4根微针10分钟内溶解，基底50分钟内几乎完全溶解。机械表征表明可溶微针和微管均具有优异机械性能。

电化学阻抗谱（EIS）和循环伏安（CV）曲线显示，随PANI沉积电流增加，电子转移电阻增大，电流窗口缩小。传感器在-0.1 V电位下对H₂O₂检测响应最大，线性范围0.8至48 mM，灵敏度0.0714 ± 0.0027 μA mM^?1，可有效检测高血糖。

2.3 生物传感器的体外葡萄糖传感性能

传感器工作电极采用多层结构确保稳定性：PB层作为电子介体降低检测电位、提高选择性和扩大检测范围；PANI膜形成网络结构提供充足活性表面用于酶固定；GA交联固定GOD；TPU膜阻止酶泄漏并调节葡萄糖扩散量。

在PBS和模拟间质液中评估传感器性能。CV曲线显示葡萄糖检测过程受扩散控制。传感器对葡萄糖的线性检测范围为0.8至34 mM，灵敏度0.0209 ± 0.0027 μA mM^?1（PBS）和0.0164 ± 0.0016 μA mM^?1（模拟间质液），平均响应时间95.54 s ± 16.59 s。干扰实验表明传感器对葡萄糖具有最高选择性，胰岛素溶液（100 U ml^?1）干扰较小。传感器在pH 7.0和35°C时响应最高，室温储存4周后仍保持96.94%相对响应，连续50次测量后保持86.94%响应，显示优异稳定性。Ag/AgCl参比电极在不同氯离子浓度和长期实验中均表现稳定。

2.4 低功耗、稳定、紧凑的电渗微泵制备

电渗微泵基于纳米多孔PC膜夹在两个沉积Ag/Ag₂O的玻璃纤维基质（阳极和阴极）之间构成。阳极Ag电氧化为Ag₂O产生质子流，穿过PC膜后与阴极反应产生的氢氧根结合，电还原Ag₂O为Ag。该反应电位差仅0.10 V，远低于传统铂电极系统（2.50 V），能量效率高。

微泵在1 V电位下运行，流量随电位增加线性上升（0.1至1 V对应1.458至12.371 μl min^?1），功耗仅0.007至0.422 mW。Ag/Ag₂O电极氧化时间60 s时性能最优，连续运行12 h电流稳定。集成中空微针阵列后流量降至9.4655 μl min^?1（1 V），显示微管递送优势。微泵7天后保持90.97%相对流量，72 h内基础流量精度96.16% ± 10.05%，全功率运行寿命达4天，PC膜孔未堵塞。与传统泵相比， achieving相同流量6.545 μl min^?1时功耗仅0.094 mW，低326.6倍。

2.5 糖尿病大鼠体内血糖管理

选择STZ诱导的糖尿病SD大鼠评估闭环人工胰腺贴片性能。大鼠背部皮肤厚度（≈0.2–1 mm）更接近人类手臂皮肤（≈0.5–2 mm）。系统用医用胶带固定于大鼠背部，由PCB供电控制。尾静脉采血用商用血糖仪验证。

设备首次佩戴时皮肤留下锥形孔（匹配微针尖端形状），微针溶解后仅留微管，形成圆柱形孔。H&E染色显示微针和微管成功插入皮肤。采用分离传感和给药两步工作模式实现闭环控制。储存7天的胰岛素与新鲜胰岛素降糖效果基本一致，表明胰岛素室温至少稳定7天。

传感器进行50 s安培测量后传输电流至PCB微控制器，若电流超临界值，微泵以1.0 V电位运行10 min，交替重复直至血糖低于临界值。生物相容性评价显示，涂层后传感器几乎无红斑或水肿，佩戴7天后主要器官H&E染色无显著变化，表明材料生物相容性优异。

电流与血糖水平线性校准曲线斜率0.0571 μA mM^?1，R2 0.9489。Clarke误差网格显示所有点位于临床可接受区A和B，误差0.013%–38.3%，75%点低于10.9%，平均绝对相对差异（MARD）8.3% ± 7.3%。对比实验表明，无治疗、仅微管递送盐水或胰岛素均对血糖管理影响小，系统递送胰岛素可使血糖230分钟内降至起始36.03%。手动单剂量葡萄糖和胰岛素输注显示，大量葡萄糖摄入使血糖迅速上升且不下降，小剂量胰岛素注射导致血糖快速下降但后续葡萄糖摄入又使血糖回升，大剂量胰岛素有低血糖风险，凸显闭环系统精确调控必要性。

系统在无葡萄糖摄入时可有效降低血糖，胰岛素停止后血糖逐渐回升，恢复胰岛素输注后血糖再次下降。模拟进食（腹腔注射葡萄糖）时，系统能及时响应血糖上升启动胰岛素输注，峰值血糖11.2 mM后下降至7.9 mM，显示闭环智能管理有效性。

2.6 糖尿病猪体内血糖管理

选择STZ诱导的糖尿病巴马猪（体重25–37 kg）评估系统在大型动物中性能。猪皮肤较厚（2–7 mm），体重和生理代谢与人类非常相似。系统用医用胶带和弹性绷带固定于猪背部，PCB通过蓝牙与智能手机通信传输传感数据和命令。商用CGM系统同步监测血糖验证效果。

因猪皮肤更厚更硬，采用不锈钢针（1.6 mm直径）预穿刺引导设备插入。不同体重和疾病严重程度猪模拟糖尿病患者。

无治疗时，三头猪血糖均超健康阈值（7.0 mM），范围7.4至>25 mM，平均血糖14.1 mM、22.6 mM和18.8 mM。商用闭环系统（AndroidAPS算法）优化基础胰岛素率（0.6–1.5 U h^?1）、胰岛素敏感因子（ISF，1.40–2.17 mM per unit）和胰岛素碳水化合物比（ICR，30.00–37.50 g carb per unit）后，3天紧范围时间（TITR，3.9–7.8 mM）51.91%–78.84%，范围时间（TIR，3.9–10.0 mM）71.79%–79.42%，低于范围时间（TBR，<3.9 mM）14.68%–20.58%，平均血糖降至6.5 mM、4.6 mM和6.8 mM，但性能不如人类，因猪皮肤更厚硬不适于CGM和泵安装。

闭环贴片佩戴72 h，传感电流变化与血糖波动趋势一致。个性化控制算法优化后，三头猪TITR达51.10%–58.50%，TIR 67.51%–68.7%，TBR 15.95%–22.20%，平均血糖6.2–6.8 mM。Clarke误差网格93.76%–94.91%点位于区A和B。传感器与商用CGM的MARD 30.5%–56.8%，而两商用CGM在猪中MARD 22.5%–42.8%，差异源于猪皮肤更厚硬，预期在人体可达商用CGM精度。

尽管传感位于泵送位点，局部胰岛素递送、间质液葡萄糖稀释和胰岛素对安培测量干扰等因素可能影响传感，但本研究中间层作用、皮肤葡萄糖摄取慢以及使用介体传感器低工作电位避免干扰，确保了高精度。传感与CGM间存在10–20 min滞后，CGM与真实血糖滞后估计5–20 min，故传感器与真实血糖滞后估计15–40 min，与报道一致。胰岛素药代动力学显示，达峰时间（tmax）90–120 min，起效时间40–60 min，长于直接皮下注射，因贴片穿透深度较浅。外部压力对传感器影响小。

与商用系统相比，贴片血糖水平相似，平均血糖高0.3–1.3 mM或低0.6 mM。血糖分布显示，无治疗时TITR仅0.19%，TIR 1.62%，TBR 0%；商用系统TITR 60.96%，TIR 74.95%，TBR 17.19%；贴片TITR 53.60%，TIR 67.98%，TBR 19.73%，表明显著改善且与商用系统相当。

优势在于超小尺寸和低成本（10美元），通过新型传感和泵送方法实现高精度和持续性能，电气控制进一步降低成本。

3 讨论

数字健康和可穿戴电子学最新进展正将传统医院疾病管理转向家庭医疗。本研究首次演示集成可穿戴闭环人工胰腺贴片用于糖尿病大鼠和猪的血糖持续监测与调控，验证贴片可在猪连续使用多天。系统总体积≈2 cm3，成本≈10美元。

通过设计部分瞬态可溶微针与微管集成，以及系统级集成葡萄糖传感器、微型胰岛素微泵和无线PCB，实现整个集成可穿戴闭环迷你贴片微型化。设备尺寸最小，因传感器、泵和PCB均微型化。微针-微管结构更安全，避免微针断裂和组织损伤。随着3D打印和注塑成型等制造方法进步，大规模生产可行。

贴片通过设计新传感和泵电极实现高度稳定葡萄糖传感和低功耗胰岛素递送，关键在最小化功耗和长期连续运行。生物传感器因多层结构具有出色传感稳定性，室温葡萄糖溶液中储存4周以上仍稳定。电渗微泵使用Ag/Ag₂O玻璃纤维电极，低电位（<1 V）运行无气体生成，泵送系统功耗显著降低100倍至仅0.422 mW。

首次在小型和大型动物（猪）连续运行成功，血糖持续监测和调控，是实现可穿戴闭环设备用于人类糖尿病患者的关键步骤。新闭环人工胰腺贴片成功应用于糖尿病大鼠和猪控制血糖水平。猪皮肤（2–7 mm）远厚于人类皮肤（0.5–2 mm），更难穿刺。糖尿病大鼠研究首先证明系统可穿刺大鼠皮肤（0.2–1 mm，非常类似人类），闭环系统可高效控制大鼠血糖数小时。猪体重和生理代谢与人类非常相似，研究证明闭环贴片可连续3天以上控制大型动物血糖水平。与商用闭环系统相比，贴片维持血糖安全范围时间相似，三头猪3天TITR和TIR分别达53.60%和67.98%，商用系统为60.96%和74.95%。

这些结果强烈表明，集成可穿戴闭环人工胰腺贴片具有微型化尺寸、低功耗和高稳定性能，巨大潜力个性化、精确监测和调控人类血糖。尽管闭环贴片有强大应用前景和实用价值，但尚未在真实糖尿病患者临床验证。未来临床设置和人类应用，设备应集成更智能控制算法（如PID控制器和模型预测控制MPC），防止血糖波动超安全范围并避免胰岛素真皮层积累可能泄漏。PCB应由专业工程师重新设计更智能、低功耗、微型化和用户友好。应通过改变传感器结构、最小化猪运动和蓝牙传输检测噪声、减少胰岛素释放和吸收不足干扰、确保设备更牢固固定，提高血糖传感精度。

此外，考虑人体与糖尿病大鼠和猪在体重、代谢、皮肤厚度和机械性能差异，实际应用可能需克服额外挑战困难。例如，胰岛素吸收在动物和人类间不同，维持糖尿病所需量也不同；相同血糖水平糖尿病严重程度不同；猪和人类皮肤穿刺难度不同。系统需进一步优化和人体临床试验才能进入商用市场。考虑所有优化过程和FDA批准时间，估计设备未来实际使用需3–5年。期望本工作为糖尿病患者数字健康和可穿戴设备做出重要贡献，有潜力革新传统糖尿病管理走向家庭医疗。