《Adv. Mater.》:纳米多孔水凝胶固定化双金属纳米催化剂用于智能隐形眼镜长期稳定连续血糖监测

文摘   科学   2024-06-16 20:45   山西  

01

过程

连续血糖监测(CGM)可用于实时检测体液中的葡萄糖水平,然而,即使使用复杂的数据过滤器和算法,微创CGM皮肤贴片等设备的准确性也有限。此前已有关于隐形眼镜通过检测泪液中葡萄糖水平来进行血糖监测的研究,但基于隐形眼镜的方法存在几个关键问题,包括葡萄糖氧化酶稳定性低、葡萄糖传感器灵敏度低且不一致、眼表面泪液体积小和泪液通过水凝胶底物的扩散速度慢等。准确无迟滞检测血糖是体液血糖监测追踪血糖水平的重要临床未满足需求之一。

图一:用于糖尿病监测的智能隐形眼镜示意图。纳米多孔水凝胶中双金属纳米催化剂(BiNCs)的结构和葡萄糖传感机理。水凝胶中葡萄糖氧化酶内的黄素腺嘌呤二核苷酸(FAD)与扩散的葡萄糖和O2发生氧化还原反应,然后还原为FADH2H2O2HA-Au@Pt BiNCs表面迅速分解并生成两个电子,通过纳米粒子介导的电荷转移迅速传递到电极表面。水凝胶中的纳米孔对反应物质的快速扩散和快速膨胀起着重要的作用,具有高吸水性。

CGM常通过葡萄糖和聚合物基质中的GOx之间的电化学反应产生的电流变化来估计血糖含量。在此过程中,电流随葡萄糖浓度的增加而变化,且与葡萄糖和O2向水凝胶的扩散速率以及过氧化氢(H2O2)的分解速率相关。本次研究中,团队展示了包含双金属纳米催化剂的智能隐形眼镜,双金属纳米催化剂固定在纳米多孔水凝胶中,用于长期稳定的CGM(图1)。过氧化氢在氧化还原反应后,在透明质酸修饰的金-铂双金属纳米催化剂表面迅速分解(HA-Au@Pt BiNCs),产生两个电子用于安培响应。同时,HA-Au@Pt BiNCs可促进纳米孔水凝胶中纳米粒子介导的电荷转移,因此灵敏度高,响应时间快,检出限低。此外,水凝胶中的纳米孔使得葡萄糖浓度的可逆和连续监测具有快速的反应物质扩散速率和快速的溶胀速率。

图二:HA-Au@Pt bcs的特点。a) Au@Ptb) HA-Au@Pt BiNCs在去离子水(4.5 mM,比例尺:200 nm)中的照片和TEM图像。DLS分析c)水动力粒径和d) AuNPsAu@PtHA-Au@Pt BiNCs在去离子水中的zeta电位(n = 3)e) AuNPsAu@PtHA-Au@Pt BiNCsAu 4 fXPS光谱。f) PtNPsHA-Au@Pt BiNCspt4fXPS光谱。g) AuNPsPtNPsHA-Au@Pt BiNCs的价带XPS谱。h) HA-Au@Pt BiNCsHRTEM结构分析,显示fcc Au[111] Au[220] Pt[111]平面的晶格结构(比例尺:2 nm)i) HA-Au@Pt BiNCsHR-TEM图像及其对应的EDS映射图像:红色为Au,绿色为Pt, Au, Pt合并(比例尺:20 nm)

关于有纳米多孔水凝胶和相关隐形眼镜的制备,团队准备了一种由透明质酸、壳聚糖和聚乙烯醇(PVA)等亲水聚合物组成的聚合物基质,并通过使用、优化聚苯乙烯(PS)微球在水凝胶中的用量以引入均匀分布的孔隙结构;同时,团队通过将戊二醛的醛基(−CHO)和HA的羟基(−OH)之间进行化学交联来制成HA-Au@Pt BiNCs(图2),并将其放入水凝胶中;为了防止智能隐形眼镜变形,团队采用高透氧性、低溶胀率的有机硅弹性体制作智能隐形眼镜并在隐形眼镜表面涂上吸湿HA,以提高表面含水量(图3)。

图三:BiNCs的纳米多孔水凝胶的特性。a)HA-Au@Pt BiNCs的水凝胶的扫描电镜(SEM):表面、表面变焦和截面图(比例尺,黑色:2 μm,白色:10 μm)b) 4种不同水凝胶在PBS(25°C, pH 7.4)中体外释放7(n = 3)。灰线:w/o纳米孔和w/o HA-Au@Pt BiNCs,绿线:w/o纳米孔和w/o HA-Au@Pt BiNCs,蓝线:w/o纳米孔和w/ HA-Au@Pt BiNCs,粉色线:w/o纳米孔和w/ HA-Au@Pt BiNCsc) Au@PtHA-Au@Pt BiNCsPBS(25°c, pH 7.4)中体外释放7(n = 3):去除未反应的纳米催化剂前的全彩条,去除未反应的纳米催化剂后检查图案条。d)纳米多孔水凝胶中Au@PtHA-Au@Pt BiNCsHR-TEM图像及其对应的EDS映射图像:红色为Au,绿色为Pt(比例尺:50 nm)

团队根据4.5 mm HA-Au@Pt BiNCs固定的水凝胶中PS珠溶液的体积来测量电化学性能,结果表明,6μL的PS微球中,可以形成均匀的纳米孔,灵敏度显著提高;水凝胶纳米孔存在时,水凝胶灵敏度提高,响应时间减少,表明高孔隙率和均匀分散的纳米孔有利于反应物质充分扩散到水凝胶中,同时增强了单个纳米电极的作用从而提高灵敏度;HA-Au@Pt BiNCs存在下,水凝胶灵敏度提高,检出限降低,响应时间增加,表明HA-Au@Pt BiNCs存在时H2O2转化为O2和2电子的效率高,通过主动去除H2O2改善了GOx的功能,从而提高了灵敏度和降低了检出限。但是HA-Au@Pt BiNCs堵塞了水凝胶的孔隙,由于反应物质的扩散速率降低,反应时间较慢;分析葡萄糖浓度在5 - 50 mg∙dl-1之间增加和减少时的滞后曲线,结果表明,同时含有纳米孔和HA-Au@Pt BiNCs的水凝胶由于协同效应,线性度最高(r 2 = 0.9982);无纳米孔的水凝胶在PBS (pH 7.4)中2 - 4 h的预热时间较长,而相比之下,具有纳米孔的水凝胶在2 h内的预热时间较短(图4)。

图四:智能隐形眼镜的体外连续血糖监测。灰线表示w/o纳米孔和w/o HA-Au@Pt BiNCs,绿线表示w/o纳米孔和w/o HA-Au@Pt BiNCs,蓝线表示w/o纳米孔和w/o HA-Au@Pt BiNCs,粉色线表示w/o纳米孔和w/o HA-Au@Pt BiNCsa) PBS实时CGM(25°C, pH 7.4)b)5 ~ 50 mg dl-1范围内葡萄糖浓度升高和降低的滞后曲线(n = 50)c)葡萄糖浓度与测量电流的统计相关分析(n = 50)d)10 mm K3Fe(CN)6中扫描速率为25 mV s-1- 0.25 ~ 0.2 V的循环伏安图。e)nyquist图绘制的水凝胶阻抗谱和在10 mm K3Fe(CN)6100 ~ 100 000 Hz (10 mV)的电荷转移电阻(Rct)分析。f)在预热时间分析中,纳米孔水凝胶和HA-Au@Pt BiNCsPBS中浸泡时间(0,2,4 h)对葡萄糖浓度增加对电流变化的影响(n = 50)

智能隐形眼镜采用高透氧性有机硅弹性体,表面进行吸湿性接枝HA-NH2修饰。分析血糖水平与泪液葡萄糖水平随血糖浓度变化的相关性,根据以往的报道,泪液葡萄糖水平与血糖水平存在约10分钟的滞后时间,故智能隐形眼镜被用来测量滞后10分钟(包括预热时间)后的泪液葡萄糖水平。在血糖水平不变、升高或降低的所有条件下,10 min后泪液血糖水平的变化趋势与糖尿病兔和正常兔的血糖水平变化趋势相似,特别是当血糖水平升高或降低时,它显示出很强的相关性(ρ > 0.90),这表明智能隐形眼镜的相关值非常高;将智能隐形眼镜测得的泪液葡萄糖水平根血与泪液葡萄糖水平的相关方程转换为血糖水平后,血糖仪测得的血糖和智能隐形眼镜测得的泪液葡萄糖之间的相关性(ρ = 0.95)与血糖仪和商用CGM之间的相关性(ρ = 0.96)相似,表明智能隐形眼镜测量血糖在临床应用上的可行性;无论何种类型的隐形眼镜和佩戴次数,裂隙灯试验和组织学分析均证实角膜无创面和炎症,且双眼的泪液量没有显著差异,角膜厚度也没有显著变化,表明该智能隐形眼镜具有安全性,且能够避免因刺激增加泪液中的葡萄糖浓度而导致对血糖水平的高估(图5)。

图五:智能隐形眼镜在糖尿病家兔体内连续血糖监测。a)糖尿病家兔连续血糖监测系统照片。i)佩戴智能隐形眼镜的兔子,ii)我们的智能隐形眼镜在兔子眼睛上的特写图像(比例尺:150 μm)iii)商业CGM附着并插入皮下腹部。b)糖尿病兔和c)正常兔的血液和泪液中连续监测45分钟,观察i)血糖水平的稳定变化,ii)升高,iii)降低。d)用于临床验证的Clark误差网格分析,粉色圆圈:-泪相关性。e)使用智能手机应用程序进行连续血糖监测,获取血液和泪液血糖水平的相关方程。i)测量系统的照片和ii)用血糖仪、商用CGM和我们的智能隐形眼镜连续监测血糖30分钟。

对人类的应用实验中,一名41岁人类受试者通过智能隐形眼镜与外部读写器之间的感应耦合进行无线电力传输和数据通信,数字化的葡萄糖传感器输出后通过负载调制通过相同的线圈天线无线传输,并在智能手机上进行监控,该系统在人眼连续运行10min后,眼表温度变化小于0.7℃,且SAR峰值远低于IEEE标准,表明智能隐形眼镜系统不会因加热和电磁辐射而产生安全问题,可进一步进行临床研究(图6)。

图六:智能隐形眼镜对人体血糖的持续监测。a)佩戴智能隐形眼镜的男子和使用智能手机的无线CGM的照片(比例尺:1厘米)b)分别在体内工作010 min时的热分布图。c)模拟峰值比吸收率(SAR)作为人的头部与外部阅读器天线之间距离的函数。d)模拟人体头部产生的热量。

02

总结

本研究开发了包含HA-Au@Pt BiNCs的纳米多孔水凝胶,将其制为智能隐形眼镜,作为葡萄糖传感器来连续监测血糖水平。其可准确测量快速变化的血糖水平,具有灵敏度高、检出限低、滞后小、预热时间快的特点。它还可以通过将数据传输到智能手机来测量人体的泪液葡萄糖水平,并在热和电磁辐射方面保证了智能隐形眼镜的初始安全参数。综上所述,团队已经成功地证明了将纳米多孔水凝胶中含有HA-Au@Pt BiNCs的智能隐形眼镜进一步应用于临床糖尿病监测的可行性。


原文链接:

Kim, Su-Kyoung et al. “Bimetallic Nanocatalysts Immobilized in Nanoporous Hydrogels for Long-Term Robust Continuous Glucose Monitoring of Smart Contact Lens.” Advanced materials (Deerfield Beach, Fla.) vol. 34,18 (2022): e2110536. doi:10.1002/adma.202110536



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