动态血糖监测系统中技术难点的相关探讨

【作 者】付亚成 ，全昌云，刘丽霞，张伟

1 中南大学湘雅医院 临床药理研究所，长沙市，410008

2 可孚医疗科技股份有限公司，长沙市，410000

0 引言

目前，糖尿病虽没有治愈的方法，但血糖监测与适当药物相结合可以提高治疗效率，减轻症状，减少并发症[1]。动态血糖监测系统（continuous glucose monitoring system,CGMS）

被认为是糖尿病治疗的最佳候选设备。CGMS是间接反映血糖变化趋势的监测技术，可用来探寻食物种类、运动类型、药物品种、精神因素、生活方式等因素与患者血糖波动之间的关系，帮助制订个体化的干预措施和治疗方案，减少胰岛素用药剂量，将血糖值控制在正常范围内，成为可视化糖尿病教育的工具[2-5]。然而，CGMS技术大多受到准确性和长期性问题的困扰。因此，本研究对CGMS组成的各个环节的关键技术展开了综合讨论，重点介绍了传感器技术、生物相容性等技术的难点，比对三大动态血糖仪品牌德康（DexCom）、美敦力（Medtronic）、雅培（Abbott）最新产品系列，旨在为国内CGMS研发提供一定的理论参考依据。

1 传感器技术

自从将电化学检测方法引到葡萄糖生物传感器领域后，陆续有很多企业利用该技术开发连续监测葡萄糖浓度的生物传感器。通过将传感器植入皮肤，搭载信号传输装置，形成CGMS，使之成为糖尿病患者常用的监测工具。在过去几年内，CGMS在监测葡萄糖浓度时，其生物传感器可重复测量的稳定性、可靠性及监测天数遇到以下4个方面的挑战[6]：一是生物传感器体积小，制造困难。开发并生产数百万个植入式生物传感器，其生产工艺的难度常常被低估，通常这些传感器宽小于1 mm，长10～30 mm，其电极本身大小和涂层厚度必须严格控制。二是传感器的酶电极在数周内应可重复对葡萄糖产生特定反应[7]，因此需要保证酶电极的酶活稳定，可重复利用，对酶的负载技术要求很高。三是如何抑制干扰物质的影响。干扰物质和血液中的氧气反应，形成的产物会附着在酶电极的表面，阻碍葡萄糖扩散到酶电极表面，影响传感器的灵敏度，因此，需要开发抗干扰强的传感器，保证传感器在连续监测时有较高的灵敏度。四是传感器膜层的生物相容性。一方面，传感器的膜层植入皮肤，必须具备较好的生物相容性，另一方面，膜层需要严格控制大分子扩散，最大限度地减少较大蛋白质和细胞在酶电极上堆积，降低蛋白质黏附酶电极，提高葡萄糖分子的传递速率。

1.1 相关传感器及CGMS简介

用于连续监测葡萄糖的商用电化学生物传感器是安培型传感器，即工作电极相比于参比电极而言，工作电极易被极化，通过测量工作电极的电流可作为生物传感器的响应信号[8-9]。传感器分为三电极传感器和双电极传感器。三电极传感器由工作电极、对电极和参比电极组成，双电极传感器由工作电极和对电极组成[10]。三电极传感器对参比电极的要求更低，但其代价是需要稳定的恒电位。双电极传感器只需要在两个电极之间施加稳定的电位差，其对电极能够维持与工作电极相等的电流，且没有明显的极化现象。

最初的第一代葡萄糖生物传感器的原理是利用葡萄糖氧化酶与底物反应产生过氧化氢，过氧化氢再分解成水和氧气，通过过氧化氢分解产生的电流大小来建立浓度关系。过氧化氢在正电极被氧化生成氧气（氧化法），还可以在负电极被还原生产水（还原法），这两种方法都有很多商业用途，虽然氧化法使用率更高，但是铂族等贵金属作为过氧化氢氧化的有效催化剂也被越来越多地使用[11-13]。

CGMS的市场领导者是拥有Enlite传感器的美敦力和拥有G4 Platinum和G6系统的德康[14]，这两个厂家的CGMS产品在全球各占有40%以上的市场份额，值得注意的是，这两家市场领导者都采用了第一代传感器技术[15]。其余厂家，如Menarini GlucoDay目前仅在欧洲销售，而雅培瞬感动态血糖已经进入中国市场，并做出了极佳的销售业绩。

雅培FreeStyle Libre是第一个不需要每天用手指针刺进行校准的CGM，但需要12 h预热期[16-17]。美敦力家用动态监测血糖仪采用植入皮下的葡萄糖传感器，每个传感器至多可用170 h（约7 d），需要每12 h采指血校准一次。美敦力在2017年推出了MiniMed 670G。它将美敦力的Guardian动态血糖监测系统和美敦力的胰岛素泵组合在一个系统中，每5 min自动测量血糖水平，然后在必要时自动给予胰岛素剂量[18-19]。德康新产品G6比雅培的FreeStyle Libre功能更丰富，与FreeStyle Libre一样，德康医疗的G6不需要手指针刺校准，但G6的传感器将预热期缩短至2 h[20]。G6是第一个获得FDA批准的独立CGM，也就是说它可以和其他胰岛素泵制造商的产品自行配对使用[21]。从表1中，我们可以看到在很多方面，德康G6会显示出更多的优势。但不意味着每个人都需要G6，因为不同类型的糖尿病对控制血糖的要求不一样，比如2型糖尿病，只需要知道整体血糖趋势即可[22]。

表1 雅培、美敦力、德康CGM产品系列对比Tab.1 CGM product series comparison of Abbott,Medtronic and DexCom

在科技飞速发展的今天，很多科研人员经过夜以继日的研究，发现人体除了血液和组织液外，还有很多其他种类人体分泌液也可检测出大量的信息，如泪液、汗液、尿液等，这些信息也同样可以用于判断一个人的生理状态。科研人员通过研究汗液中葡萄糖的浓度与血液中葡萄糖浓度之间的关系后，设想开发出一种应用于皮肤表面的非侵入性监测血糖浓度的设备，这种产品将具有非常广阔的前景[23-25]。LEE等[26]研究出了一种基于柔性石墨烯材料的电化学检测平台，在可穿戴的贴片上集成了很多传感器，这些传感器可以对汗液中的葡萄糖、温度、酸碱度等进行检测，从而达到实时监测血糖浓度的目的。GAO等[27]研制出了一种通用传感设备，该设备可以选择性地对汗液中的代谢产物、电解质以及皮肤表面的温度进行监测，其中，代谢产物主要是葡萄糖和乳酸，电解质主要包括钾盐和钠盐，皮肤温度主要用于校准传感器。

1.2 传感器布局

传感器在设计制造过程中主要有3个步骤：首先是设计传感器内部的布局，德康公司开发的传感器内部主要集成了两个电极，分别是工作电极和参比电极，工作电极是为了捕捉电信号，参比电极是为了稳定电极间电位。这样做的最大优势是可以缩小传感器的直径，但这种结构布局须采用多对工作电极和参比电极，设计比较复杂，且增加了制造难度。然后是设计传感器的平面布局，目前来说相对成熟的工艺是将工作电极、计数器和参比电极全部印刷在柔性基板的同一侧，由于传感器的宽度需要符合标准，因此在制造过程中需严格控制公差。最后为了尽可能地缩小传感器所占用的空间，设计人员会将电极和恒电位器组装到一起，而不是简单地并排设置。

1.3 传感器酶膜

在CGMS正式投入使用之前，研发人员需要在传感器上的工作电极表面涂覆涂层，这层涂层主要有两个作用：一是可以避免电极组分（如葡萄糖氧化酶）浸出到人体周围组织液中；二是可以降低电极表面葡萄糖的传质速率。CGMS的工作原理是基于安培生物传感器设计，葡萄糖浓度在2～30 mmol/L，具有较佳的电流-浓度线性关系。为了避免影响传感器的响应速度，传感器酶负载不能过于饱和，葡萄糖通过涂层表面的传质速率比在水溶液中的传质速率小4～5个数量级。由于皮下组织中的氧浓度要比葡萄糖浓度低300倍，所以对于依赖氧的传感器来说，传感器正常工作需要大量的氧气，在选择酶膜时，选用氧透过性膜[28]。CGMS传感器的敏感性取决于背景校正电流和血糖浓度，为了使传感器在插入后，这些指标能够尽快恒定下来，就需要扩散屏障层能够快速湿润并且能够重复使用，以保证快速实现葡萄糖和氧气扩散系数的恒定。传感器酶膜除了需要具有选择透过性，阻拦很多干扰物质之外，还被要求通过改变本底电流的内源性和外源性物质使本底电流变化最小，进而提高传感器的灵敏性。此外，在使用过程中，酶膜对葡萄糖的灵敏度需要保持稳定。酶膜的高生物相容性可以减少异物反应，延缓传感器周围细胞屏障和纤维囊的形成，从而减少葡萄糖到传感表面的质量转移，该薄膜同时还要求能够承受在制造过程和传感器磨损期间被施加的机械应力，防止裂纹的形成，在测试过程中，保证传感器灵敏度稳定。膜与底层传感器轴之间保持较强的附着力，避免随着时间的推移，膜与传感器分离。最后，聚合物膜的沉积过程能够适用大批量生产，其膜层的厚度也需要严格的工艺控制。

1.4 传感器制造

很多患者倾向于根据监测系统的特性来区分CGMS产品，但是不同的监测系统与血糖检测的灵敏度没有直接联系[29]。对于患者来说，他们主要关注的是传感器在佩戴过程中是否可以做到无痛和方便、接收单元是否易于管理、血糖值数据传输是否准确。CGMS不仅需要便于患者使用，还需要降低成本，从而惠及更多患者。由于这种一次性的传感器组件对生物相容性有着特殊要求，所以在材料选择、制造方法、制造环境以及制造成本等方面必须统筹协调。这种宽度不足 1 mm，长度只有几厘米的组件，除了需要性能高度集成外，还需要在包装前进行组装和消毒，研发人员需要考虑利用各种低成本的方法来制造柔性传感器。

2 生物相容性

血糖监测系统（blood glucose monitoring system,BGMS）的测量装置和试纸之间有一个可重复连接的机械接口，BGMS一次的测量时间通常只需要几秒钟，而CGMS是连续监测的过程，一般监测时间为7～14 d，科研人员采用了不同的机械组合和信号传输方案来保障患者能够长时间佩戴该产品[30-31]。CGMS的探针和传感器需要植入皮肤下，所以在使用前需要进行无菌处理，其用于制造探针和传感器的材料，不仅需要能够承受住灭菌工序，还要满足相应的生物相容性要求[32]。

如何降低异物反应带来的不良影响，一直是生物传感器领域的一大难题，解决这个难题的关键在于，能否找到合适的植入式血糖传感器的外膜层，对于传感器来说，它的外膜具有很多功能，包括降低葡萄糖的传质效率、加快氧的传质速度、改善传感器与细胞组织界面的兼容性以及保护传感器等。为了解决这一问题，我们通常需要在传感器表面涂覆多层拥有不同功能的膜。

3 测量数据的基质效应

一般来说，静脉血的葡萄糖浓度与组织间液的葡萄糖浓度在大部分时间内存在一定差异，组织间液血糖浓度低于静脉血浆血糖浓度，但在稳定状态下，组织间液葡萄糖浓度几乎与静脉血浆中的葡萄糖浓度保持一致。血液流动会使人体不同部位的血糖浓度有很大差异。血液流到指尖和手掌的速度大约是血液流到组织间液速度的5～20倍[33]，由于血液流速存在差距，所以当血糖浓度快速变化时，组织间液血糖值滞后于指尖或静脉血糖值。葡萄糖在组织间液中的传质速度，在很大程度上受到达该区域的总血流量影响，而总血流量由毛细血管的数量和毛细血管壁的通透性决定。

4 数据处理

传感器把测量到的数据传输到测量系统，经测量系统处理后，根据电流值计算葡萄糖的浓度和变化率[34]。由于人体内葡萄糖浓度的变化率比较慢，所以葡萄糖浓度的显示值不需要非常频繁地更新[35]，通过测量收集的数据，经统计处理，构成血糖随时间变化曲线图[36]。

5 数据传输

CGMS中最关键的部件就是信号发射器，通过本地接收器接收其发射的信号，从而形成一个信息传输通道。发射器对传感器产生电流值进行预处理后，以1～5 min的时间间隔将处理后的数据发送到本地接收器[37]，本地接收器将接收到的数据经公式换算，会将当前的葡萄糖浓度值、变化方向及变化率等参数在显示屏幕上显示[38]。

6 总结与展望

良好的血糖控制能有效延缓糖尿病并发症的发生，传统的血糖监测在某些固定时间点采用便携式血糖仪进行指尖血糖监测，只能反映瞬间的血糖情况，而不能反映较完整的血糖变化及波动趋势[39]。长期反复的针扎给糖尿病患者带来了严重的精神和肉体折磨，新型的血糖监测手段的需求显得尤为突出[40]。CGMS作为一款新型的血糖监测产品，从设计初期就被寄予厚望，是一款真正意义上可以帮助糖尿病人更好地了解自身血糖变化趋势的产品。随着CGMS技术的不断发展，目前市场上销售的CGMS也比较成熟。总体来看，CGMS与胰岛素泵的结合是未来的发展趋势，CGMS与胰岛素泵可形成一个闭环的人造胰腺系统。全球知名企业，像强生、美敦力和德康等公司都已经将自己的CGMS运用到胰岛素泵中，建立了一套完整的糖尿病管理系统。随着中国经济技术的不断发展，我们相信会有越来越多的中国企业参与到CGMS行业中来，中国的CGM市场未来可期。