基于梯度膜的“Top-down”模式构建植入穿戴膜基传感器

随着设备智能化和信息化的快速发展，各种智能连续监测设备正投入临床应用。这些智能设备在日常生活中对人体监测和人体护理起着至关重要的作用，可以持续监测人体偏离健康状态的情况。智能连续监测传感器对多种疾病的监测、诊断和个性化治疗具有很大的应用潜力。然而，在临床的皮下植入应用时，植入式智能连续监测传感器面临两个方面的挑战：长期稳定性和准确性。

面对植入式智能连续监测传感器的挑战，很多研究者们进行了深入探索，目前解决这一问题主要方法就是在传感器电极的表面通过层层涂敷的方式构建外膜（可以称之为“bottom-up”方法）。各种材料用于构建传感器外膜，理想的传感器外膜应该具有两个特点：好的生物相容性、高孔隙率的微/纳孔结构。生物相容性能够减小组织排异反应，高孔隙率能够减小传质阻力和提高传感器的灵敏度，微/纳孔结构则可以限制干扰物质的扩散。基于此，黄小军副教授研究团队提出一种“top-down”的策略构建传感器的外膜，即先制备中空纤维梯度孔聚合物分离膜，并对其进行结构和表面性质调控，之后再将膜“穿”在传感器电极上(图1所示)，这种方法的优点是： 1）膜孔梯度微结构的可自由调控，2）减小原位成膜法对生物灵感源活性的影响、进而最大限度保留生物活性，3）中空纤维内外表面可以通过简单过滤的方法进行改性，4）改性层可以为生物灵感源及其他活性物质提供友好的生物环境。

本研究中，以梯度孔结构的聚砜中空纤维膜为传感器基膜，用壳聚糖及海藻酸钠对膜内表面进行改性，之后将膜“穿”在电极上，通过体外模拟监测及体内植入试验研究传感器的性能。结果表明，聚砜膜保护的传感器检测范围（0-22mM，R²>0.99）和稳定性（15天的相对活性>76%）大大提高。小鼠体内植入试验的结果表明(图2所示)，植入式传感器能很好的监测葡萄糖浓度的变化趋势，进一步的Clark误差分析的结果也说明植入式传感器有较好的精确度，聚砜中空纤维膜作为传感器的外膜能有效提高传感器的精确度及使用寿命，这种“top-down” 模式构建植入穿戴膜基传感器在临床监测领域具有巨大应用前景。

相关工作“Top-down strategy of implantable biosensor using adaptable, porous hollow fibrous membrane”发表在ACS Sensors（2019, DOI: 10.1021/acssensors.9b00035, 作者: 周瑾, 马珍, 洪晓, 吴慧敏, 马舒颜, 李扬, 陈大竞, 宇海银, 黄小军*）.

图1 传感器结构示意图及聚砜膜

图2 植入穿戴膜基传感器实时监测小鼠体征