中國有約10%的人口患有腎病、約10%的人口患有糖尿病，腎病、糖尿病威脅數(shù)以億計國人的健康。北京大學(xué)醫(yī)工結(jié)合“精準醫(yī)學(xué)生物傳感器”團隊，北京大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院崔悅研究員與北京大學(xué)第一醫(yī)院楊莉教授，面向臨床醫(yī)學(xué)需求，研制新型精準醫(yī)學(xué)生物傳感器，為數(shù)億腎病患者、糖尿病患者的長期疾病管理提供解決方案。

腎臟是體內(nèi)過濾代謝廢物，并產(chǎn)生身體營養(yǎng)生物化學(xué)物質(zhì)的重要器官。慢性腎臟疾病現(xiàn)已成為世界各地的公共衛(wèi)生問題，給全球經(jīng)濟帶來巨大壓力。全球慢性腎臟疾病的估計患病率約為10%，其相關(guān)死亡率在過去20年中增加了41.5%。血清肌酐是腎功能最常用的指標(biāo)，用于腎臟疾病的檢測、疾病分期和監(jiān)測。當(dāng)腎臟保持健康狀態(tài)時，血清肌酐水平保持在穩(wěn)定范圍內(nèi)，即44—106μmol/L；當(dāng)腎臟功能失常，體內(nèi)排泄肌酐的能力受損，血清肌酐濃度將超過生理范圍的最大水平。醫(yī)院檢測肌酐的常用方法是基于分光光度計，價格昂貴、操作復(fù)雜、耗時長、儀器體積大，無法進行居家檢測和精準疾病管理。

北京大學(xué)“精準醫(yī)學(xué)生物傳感器”團隊研制了腎病肌酐生物傳感器，生物傳感器具有檢測速度快、低成本和尺寸便攜等優(yōu)勢，該傳感器可以在0.05—1.4mM的線性范圍內(nèi)確定肌酐濃度，對臨床血液樣本的檢測，該傳感器性能與醫(yī)院廣泛使用的Jaffe方法相似。另外，基于酶的肌酐傳感器在儲存過程中穩(wěn)定性差，限制了其實際應(yīng)用。為了將這些傳感器應(yīng)用于實際臨床患者，研究團隊研究了酶在電極上的固定方法，肌酐生物傳感器在室溫下的儲存穩(wěn)定性顯著提高，可以在4個月以上保持傳感性能不會顯著下降。在臨床樣品檢測中，傳感器可以探測血液樣本中的肌酐，相對誤差在20%以內(nèi)，和醫(yī)院檢測結(jié)果具有高度一致性，并且儀器小型、廉價、可攜帶，可用于居家使用以精準管理疾病的發(fā)展過程。

圖1 北京大學(xué)研制的“腎病肌酐儀”

圖2 腎病傳感器

圖3 傳感器檢測與標(biāo)準方法檢測不同濃度肌酐實際全血血樣的比較

中國是糖尿病第一大國。糖尿病是一種慢性代謝性疾病，當(dāng)胰腺無法產(chǎn)生胰島素或當(dāng)身體無法使用其產(chǎn)生的胰島素來維持人類的血糖平衡時。血糖水平和胰島素需求受多種因素影響，血糖水平和胰島素需求的日常變化可能非常大。糖尿病的發(fā)展可能導(dǎo)致高血壓、腦血管疾病、冠心病、視網(wǎng)膜病變，以及其他并發(fā)癥。實時檢測患者的血糖水平并注射胰島素以將血糖水平維持在正常范圍內(nèi)，對糖尿病的管理至關(guān)重要。長期臨床試驗表明，加強對糖尿病的控制可以顯著降低高血糖并發(fā)癥的風(fēng)險，減少住院治療，節(jié)省醫(yī)療成本，避免無效藥物，并挽救生命。糖尿病的閉環(huán)系統(tǒng)可以提供對糖尿病的更強控制，并且它通常包括連續(xù)的葡萄糖監(jiān)測傳感器和用于連續(xù)輸送胰島素的胰島素泵。然而，傳統(tǒng)的設(shè)備裝置很大并且非常昂貴。此外，大多數(shù)消費者不希望可穿戴設(shè)備過于顯眼。這些限制了閉環(huán)系統(tǒng)在糖尿病患者中的廣泛使用，到目前為止，只有極少數(shù)糖尿病患者能夠使用商業(yè)產(chǎn)品。

圖4 北京大學(xué)研制的“可穿戴智能糖尿病閉環(huán)皮膚貼”

北京大學(xué)“精準醫(yī)學(xué)生物傳感器”團隊研制了糖尿病智能閉環(huán)皮膚貼，皮膚貼紐扣大小，極大地降低了目前商用閉環(huán)系統(tǒng)的整體體積和價格，致力于實現(xiàn)中國糖尿病患者人人用得起的目標(biāo)。糖尿病閉環(huán)皮膚貼含有微型糖尿病傳感器及微型胰島素注射泵，傳感器及注射泵均有電學(xué)信號控制，可以精準、同時、實時連續(xù)地進行血糖檢測及注射胰島素的功能，并通過血糖濃度的高低，智能精準控制胰島素注射量和注射速度，穩(wěn)定血糖濃度。用于與皮膚共形接觸的裝置的柔性特性使得裝置可佩戴并降低感測信號的噪聲。皮膚貼采用材料的生物可降解特性使該設(shè)備佩戴更安全。閉環(huán)貼片是小型化的、可穿戴的、無痛的、重量輕的、具有成本效益的。并且該系統(tǒng)對糖尿病大鼠實現(xiàn)了有效的治療，在糖尿病大鼠中實現(xiàn)了穩(wěn)定的血糖濃度控制。

圖5 糖尿病智能閉環(huán)皮膚貼原理和結(jié)構(gòu)示意圖

圖6 糖尿病閉環(huán)皮膚貼對糖尿病大鼠的治療

北京大學(xué)“精準醫(yī)學(xué)生物傳感器”團隊在腎病、糖尿病的長期管理領(lǐng)域發(fā)表了系列論文，包括“A Wearable, Sensing-Controlled, Ultrasound-based Microneedle Smart System for Diabetes Management”,?ACS Sensors（2023）封面論文；“A Wearable, Minimally-Invasive, Fully Electrochemically-Controlled Feedback Minisystem for Diabetes Management”, Lab on a Chip（2023）封面論文；“A Microtube-based Wearable Closed-Loop Minisystem for Diabetes Management”, Research（2022）；“Uric Acid and Creatinine Biosensors with Enhanced Room-Temperature Storage Stability by a Multilayer Enzyme Matrix”, Analytica Chimica Acta（2022）等一系列期刊論文。博士生羅小進、劉逸群為糖尿病智能閉環(huán)皮膚貼論文的第一作者；博士生劉逸群、董亞萍為腎病肌酐傳感器論文的第一作者；博士生余琦、徐菱憶、惠淼等為相關(guān)論文的共同作者；呂繼成教授為腎病肌酐傳感器論文的共同通訊作者；“醫(yī)工結(jié)合”腎病及糖尿病精準醫(yī)學(xué)生物傳感器系列論文，均由崔悅和楊莉為共同通訊作者。

來源：北京大學(xué)