基于微流控芯片技术的无创血糖监测综述*

王玄烨，禚文瀚，崔悦悦，胡满芳，范雨薪，韦会鸽

（天津科技大学化工与材料学院，天津 300170）

0 引 言

糖尿病是全球患病率最高的慢性病之一，不仅会对人类的健康造成严重的威胁，甚至还会影响国家经济发展。早期的血糖监测基本上采取指尖采血的方式［1］，在给使用者带来痛苦的同时还会有伤口感染的风险。此外传统的血糖监测如生物酶基血糖仪会有较大的局限性，酶的活性高度依赖温度、pH值等外界环境影响，测得的结果误差较大。所以在减小创伤的同时还需提高监测的精度。

目前，基于微流控芯片［2，3］的无创血糖监测凭借自动化能力强［4］、与可穿戴式的体外临床设备兼容［5］等特点已逐渐在医疗方面得到推广应用。这种血糖监测能够对葡萄糖进行非酶促测量［6］，提高监测灵敏度和数据的重现性；也可以结合可生物降解的纸基材料制备分析设备对葡萄糖进行定量分析［7］，减少样品消耗以及检测的时间。本文从微流控芯片的关键技术、在血糖监测上的应用以及国内外产品研究现状进行总结，并进一步探讨未来的发展趋势。

1 微流控芯片关键技术

微流控芯片主要由微流道、微阀门、微泵和微反应器等组成，其中微流道是核心部件，不仅可以实现非侵入式监测［8］，其尺寸结构、转运效率及流体控制特性也将直接影响到检测精度。对于微流控芯片本身而言，多功能、高集成和微型化也是其发展的关键因素［9］。

1.1 微流道设计

1.1.1 光刻技术

光刻技术是通道设计中最基本的技术，将光罩上的图案通过曝光和显影工艺转移到光敏材料上，形成微型通道结构，可以实现精确的通道形状和尺寸控制。Nady E 等人［10］通过质子束光刻以及传统的紫外光刻技术相结合，将聚二甲基硅氧烷（polydimethylsiloxane，PDMS）微结构集成到PDMS微型器件中，减少了材料消耗。通过适当的微观结构规划制作出外围为圆柱形，内置微流道的微型混合器。利用紫外可见光光谱法进行混合测试并发现，这种微流道结构的设计可以显著提高混合器混合效率（可达82%）。

现如今又衍生出一种软光刻技术［11，12］，该技术具有较好的重复性，且通过调整模具设计和制备方法，可以实现不同曲线形状、不同宽度和深度的微流道。Mondal B等人［13］采用电火花线切割加工（wire electric discharge machining，WEDM）的方法生产出尺寸合适的微流道模具，经过软光刻制备蛇形方波微通道。这种类型的微通道具备良好的流动动力学性能［14］，可以使液体在通道中发生多次侧向扩散，进而增加混合效率，并能够减小设备尺寸。

1.1.2 热压技术

热压技术通常需要根据通道结构制备一个硅胶或金属制作的模具，然后将所需材料片放置于模具中，在高温下加热并施加压力使聚合物材料软化，进入凹槽并形成所需的通道结构，再固化材料，最终脱模制得成品。这种方法可以提供监测设备高分辨率、高灵敏度的结果。Qin Y L 等人［15］设计出增强的PDMS 模具用于热压印环状烯烃聚合物（circular olefin polymers，COP）片，并通过制作用于数字核酸检测中自动样品数字化的芯片来演示热压印方法。增强PDMS模具具有小至10 μm（排水通道宽度）的高度可复制性，使得微流道设计更为方便。Jiang K等人［16］通过对压花温度、压力和保压时间等加工条件的控制，可以制作出具有高玻璃化转变温度的通道模具，使制得的通道具有强抗热性和低界面能，减少通道中的滞流现象，提高后续的监测精度［17］。

1.1.3 3D打印技术

近年来，3D打印技术在微流控芯片制备方面取得重大突破［18］。这种技术可以直接将设计好的微通道模型打印成实体结构，具有高度的定制性和灵活性，适用于快速原型设计和小批量制造。Wei L等人［19］通过麦芽糖浆3D 打印制成糖丝正模制备微流道，同时将未固化的PDMS 作为中间粘合剂封装微流道并将传感器集成到微流控芯片中。打印所需温度较低（约80 ℃），不仅能够防止打印材料受热氧化或分解，还可以显著降低打印器件的温度控制以及隔热难度。

1.2 芯片设计

1.2.1 薄膜技术

随着聚合物材料的兴起，一些薄膜材料展现出极好的可拉伸性和可弯曲性，而现又有纳米薄膜技术，为芯片设计带来更高的灵敏度和特异性。Zhang Q等人［20］开发了一种以三维石墨烯纤维薄膜／壳聚糖-金纳米颗粒（3D GF／CSAuNPs）微纳复合材料为原料制备传感元件，集成高效微流控芯片。其传感平台具有高电子转移能力、大比表面积和多活性位点，其中大量的CS-AuNPs修饰的3D网络结构的GF可以促进电化学信号的增强，进而提供微流控芯片响应迅速的特性。由于薄膜技术的制造尺度通常在微米至纳米级别，与此结合的芯片需要精确匹配这些尺度，因此，确保薄膜的几何尺寸与流体控制的要求相匹配是一个具有挑战性的任务。

1.2.2 注塑技术

注塑技术通过精密的模具和控制系统实现微流控芯片的精确尺寸控制，同时可以在短时间内生产大批量芯片，具有极高的可扩展性。马秀清等人［21］以聚甲基丙烯酸甲酯（polymethyl methacrylate，PMMA）为原料通过注塑加工获得微流控芯片，并根据极差分析测出该芯片注塑工艺的最优工艺参数。实验测得当熔体温度为260 ℃，模具温度为50 ℃，保压压力为60 MPa，注射速度为400 mm／s时，芯片的成型质量最好。实际的注塑过程中，会存在难以脱模的问题，微型结构会受到各种因素导致变形而复制失败。因此，Wang Y等人［22］利用电铸法制备镍基复合模具镶件。通过注塑微流控芯片进行重金属检测验证了复合镶件的低表面能、低摩擦等优点，有利于实现微流控芯片的无损成型。

1.3 微反应控制

1.3.1 微混合技术

微混合器主要分为主动式和被动式两类［23］，主动式混合器一般采用外部施力等手段，可以实现快速组分的完全混合，但工艺流程较复杂；被动式混合器单纯通过液滴驱动或反离子电渗等为动力，仅需依赖混合器自身的几何形状所产生的特殊流动状态达到一定的混合效果。Hu X 等人［24］利用聚多巴胺涂层的薄磁铁作为液滴操作的移动表面能阱（surface energy trap，SET）并引入磁性数字微流体（magnetic digital microfluidics，MDM），首次在MDM 平台上完成可释放的液滴分配，且该平台与基于介电润湿（electro wetting-on-dielectric，EWOD）的数字微流体系统的功能相匹配，扩展了其在体外监测方面的应用。

1.3.2 微分离技术

微分离常见的方法有色谱法、介电电泳法、重力沉降法等，在血糖监测中实现血样分离、分子筛选与捕获、稀释以及传感器集成等应用。糖化血红蛋白（HbA1c）是临床医疗上比较重要的检测指标，其浓度与疾病治疗有着直接或间接关系，如糖尿病、肾病等。为此，Hossain M D M 等人［25］研发出一种传感器与交流场应用微流控装置相结合，用于同时检测血样中的蛋白（Hb）和8种HbA1c组分，利用分析参数（Nb等）评估两者检测限。Hb 和HbA1c 的分离和监测不受复杂样品基质的干扰，且该方法可在没有任何生物受体的条件下提供高精度、高选择性、高灵敏度的监测。

2 血糖监测应用

在血糖监测方面，微流控芯片可结合光谱分析技术［26］、光纤激光技术［27］、电化学技术［28］、可穿戴技术［29］、基于自愈合水凝胶的传感技术［30，31］等不同的手段来实现无创的效果，同时提高精度与准确性。

2.1 纳米酶技术

鉴于传统的酶基生物血糖仪易受温度、pH值等环境因素影响，现研究出一种新型纳米酶技术，即以纳米材料作为酶的基质，通过化学合成或修饰等手段将具有催化活性的基团引入其中。其尺寸结构远小于普通生物酶，可在较宽的温度或pH值范围内保持活性。Nguyen Q H等人［32］通过离子凝胶制备了含铁位单原子的聚γ-谷氨酸／壳聚糖水凝胶纳米颗粒（PGA-Fe／CS NPs），作为模拟过氧化物酶样的纳米酶，其活性中心附近具有较多的微空间，通过多孔网络减轻传质限制而提高了催化活性。另外他们开发了可折叠的纸微流控装置，可在纳米酶和氧化酶之间进行简便的级联反应，以更加直观地识别出目标分子，适合糖尿病的即时检测（point-of-care testing，POCT）。Zhang P 等人［33］制备了一种无金属、石墨状氮化碳基纳米酶，它具有双功能级联催化作用，与微流控装置结合，对连续血糖监测（continuous glucose monitoring，CGM）方面拥有极大的用处。

纳米酶尽管与普通酶相比具有较大优势，其可再生性方面仍面临一些挑战，需进一步研究和改进。

2.2 电化学技术

电化学监测是目前微流控分析领域最热门的研究方向之一［34］，通过在电极表面催化血糖与辅助剂的氧化还原反应产生电信号，利用与微流控结合设计出的微型传感器传输信号形成数据，借助可穿戴技术提供灵敏的血糖监测［28，35，36］。Noura Z等人［38］展示了一种三维纸基微流控电化学集成装置（3D paper-based microfluidic electrochemical integrated device，PMED）的制备。该装置基于毛细管的作用收集样品并实时监测汗液中的葡萄糖浓度，对葡萄糖具有良好的选择性，在临床相关葡萄糖浓度范围（0 ～2 mmol／L）检测准确度高，灵敏度高（16.8 μA／（mmol／L／cm））。

糖尿病的严重性主要在于其会伴随许多并发症［39］，同样需要技术诊断。Li J等人［4］集成了微流控器件和光电化学（photoelectrochemistry，PEC）传感器。该传感器分生物阴极和光阳极两极，其中Znln2S4纳米花作光敏材料置于阳极，而催化酶作生物阴极。这类芯片能够快速且准确地监测葡萄糖、乳酸、丙酮酸和3-羟基丁酸4 项指标，可同时诊断糖尿病、乳酸酸中毒以及酮症酸中毒并作出相应治疗措施。

2.3 光纤技术

一般的传感器在进行血糖监测时，仍旧存在葡萄糖溶液浓度与温度测量之间的干扰问题［40］。所以，Qu J 等人［41］将带有光纤尖端的双参数的光学传感器引入微流控芯片。微流控通道中分布有半球形探头，几乎不影响流场分布，可实现溶液浓度和温度的同步检测，且温敏性和葡萄糖浓度敏感性有所提高。

现有葡萄糖传感器主要以非酶形式检测［42］，一些采取非酶促受体靶向的方法，而这类传感器会由于受体聚集有结合效率低的缺陷，影响检测限。Kim H M 等人［43］引入倍半硅氧烷（polyhedral oligomeric silsesquioxane，POSS）作为载体，合成了一种amine＠POSS-氨基苯硼酸（aminophenylboronic acid，APBA）偶联物并依附在用光纤固定的金纳米颗粒的表面上。通过分析发现使用POSS的非酶促受体能够更好地与葡萄糖结合，反应程度增加，且有效地扩大了检测限（25.0 μmol／L）。

综上所述，光纤的结合可以提供高灵敏度、宽范围的监测，是一种具有前景的血糖监测方法。

3 国内外产品研发现状

目前尚未出现大规模商业化的微流控无创血糖监测产品，但一些研发的产品显示出微流控技术在无创血糖监测的潜力，不断带动微流控技术的发展以及成熟度的提升。

3.1 国外研发现状

3.1.1 GlucoWise

GlucoWise技术由英国MediWise公司研发。该研究结合了微流控和电磁波技术，制作出可便携式设备，可通过夹在拇指和食指间的皮肤或耳垂上进行无创测量，同时也适用于连续监测。其2021年推出的新一版GlucoWise人体试验融合了多种波长传感器及机器学习，获得更加精准的结果。

3.1.2 希若嘉

希若嘉（CNOGA）血糖仪是世界首创的新型无创手指监测装置，采用以色列进口技术以及美国德州芯片的运算功能，提供各项指标的实时监测，且测量效果精准，现已获得中国CFDA以及欧盟CE 认证。设备将微流控与可见光谱技术结合，通过LED 光源发送波长600～1 150 nm 的光谱。经过人体组织时，一些光会被吸收从而变色，影像部件会对变色信号进行分析，实现快速便捷的诊断。

3.1.3 SugarBEAT

SugarBEAT是英国Nemaura Medical公司研发的新型无创血糖仪，其第一个型号即可连接智能手表，并在2016 年获得CE认证。产品将微流控与电化学传感器结合，利用无刺激性的软硅凝胶粘在皮肤上。贴片通过发射器监测葡萄糖并以5 min为时间间隔定时传输数据。传感器中的电子电流将间质液吸引到表面，分析葡萄糖水平，可实现高灵活性的动态监测。

3.2 国内研发现状

国内的微流控技术近几年也在呈飞跃式发展，已在不同领域得到应用［44～46］。但相较于国外，基于微流控技术打造的无创血糖仪品牌还很少。一些国内的公司和研究机构正在进行研发工作，例如云眸生物公司将微流控芯片与光电传感技术结合实现无创手段，并且积极与其他机构合作，进行临床试验以验证准确性。而其余国产微流控血糖仪在性能以及用户友好度方面与国外存在一定差距。

4 总结与研究展望

本文介绍了近几年微流控技术的发展以及在血糖监测方面的应用现状，总结了微流控芯片的制作方法、基于微流控的血糖监测手段。当今微型化、集成化和智能化是现代科技发展的重要趋势，而微流控具备精准控制液体流动、低消耗、高通量、快分析等特点，不仅避免有创血糖仪给人们带来的痛苦，还解决了体外检测的精度问题。微流控芯片与传感技术的结合，将血糖分析带入到智能设备中，给人们的检测方式带来极大的便利。

中国基于微流控的血糖监测还是一个处于发展初期的领域，根据目前，国内有近50 家企业正在研发微流控技术，一些研究团队结合信号检测技术制作出微流控血糖仪，但这些成果主要集中在实验室阶段，还需验证其可行性和准确性。此外在研究过程中还会面临实验结果与实际临床应用间的转化、识别干扰因素对监测准确性的影响等问题。未来国内的研究方向包括进一步优化芯片结构和性能，并加强微流控无创血糖监测与临床应用间的关联。总体来说，这一领域将会拥有更多的创新和突破，为糖尿病患者或控糖群体提供更便捷的监测手段，改善血糖管理效果。