集成多孔微结构微针葡萄糖能量采集器的高灵敏超快酶促连续血糖监测系统的开发

本刊推荐：本研究首次开发了一种集成多孔微结构微针葡萄糖能量采集器（GFC）的微创连续血糖监测（CGM）系统。该系统采用三电极微针设计，通过金纳米颗粒（Au NPs）、普鲁士蓝（PB）中间层和树枝状葡萄糖氧化酶（GOx）功能化修饰，实现1-20 mM葡萄糖的线性检测（灵敏度1.004 μA·mM-1，检测限0.68 mM）。能量采集器在400 mM葡萄糖浓度下产生210 mV开路电压（OCV），可潜在为CGM传感器及接口电子设备供电。

　　

CGM传感器设计参数与工作原理

采用3D打印技术将三个微针集成于单一基座制成CGM传感器。通过3D CAD工具（Fusion）对微针长度和基底直径进行优化设计，确保有效穿透皮肤并减少不适感。图1a展示优化后的微针构型，图1b为组装完成的CGM传感器装置。微针长度设定为5毫米，基底直径0.4毫米，工作电极（WE）和对电极/参比电极（CE/RE）采用相同尺寸以保证插入深度和电特性一致。WE表面依次修饰金纳米颗粒（Au NPs）、普鲁士蓝（PB）中间层和树枝状葡萄糖氧化酶（GOx），CE/RE则涂覆铂黑层以增强催化活性。多孔微结构设计将微针分离为顶部和背部电极腔室，形成完整电流通路，构成葡萄糖燃料电池（GFC）实现能量采集。

CGM传感器制备工艺

图3展示了集成葡萄糖能量采集器的CGM传感器完整制备流程。采用生物相容性树脂通过高分辨率3D打印技术（xy轴分辨率10μm，层高10μm）制作WE、CE和RE模具。通过阴影掩模在针体基底上依次沉积20纳米厚铬粘附层和200纳米厚金层。WE通过电沉积法负载Au NPs（直径100-200纳米），随后电聚合PB层（扫描速率50 mV/s，循环10次）。GOx溶液（10 mg/mL）与树枝状聚合物混合后滴涂于WE表面，常温交联固定。CE/RE采用电镀法沉积铂黑层（电流密度10 mA/cm²，时长300秒）。最后用聚氨酯膜封装非活性区域，暴露尖端敏感区域。

制备结构的SEM与EDS分析

图5呈现了CGM传感器和GFC针头的扫描电镜（SEM）及能量色散X射线光谱（EDS）分析结果。图5a显示微针表面虽呈圆锥几何形态，但Au NPs在针尖锐利边缘仍实现均匀沉积（图示放大区域）。EDS元素映射（图5b）证实WE表面存在金（Au）、铁（Fe）、碳（C）、氧（O）等关键元素，其中铁元素来自PB层，碳氧元素源自酶固定化基质。多孔微结构（图5c）呈现50-100微米孔径，有效增加比表面积并促进葡萄糖扩散至反应位点。

结论

我们成功开发出集成GFC的微创多通道第二代CGM传感器。该传感器采用单基座多电极微针结构，结合Au NPs、PB中间层和树枝状GOx酶，实现了稳定、灵敏且可重复的葡萄糖检测。传感器在1-20 mM葡萄糖浓度范围内呈现线性电流响应（R2=0.9246），对0.1 mM抗坏血酸、0.1 mM尿酸和2 mM乳酸等干扰物响应可忽略。能量采集器在400 mM葡萄糖浓度下产生210 mV开路电压，OCV与浓度呈线性关系（R2≈0.99），展现出为CGM系统供电的潜力。