基于各种生物友好型压电材料和超声原理的MEMS血糖传感器

据麦姆斯咨询报道，近日，印度Siksha ‘O’ Anusandhan大学和英国雷丁大学（University of Reading）的研究人员组成的团队在scientific reports期刊上发表了题为“Experimental and probabilistic model validation of ultrasonic MEMS transceiver for blood glucose sensing”的论文，提出了一种基于超声MEMS收发器和RVM概率模型的血糖传感系统，这种低成本系统可以根据需要定期测量患者的血糖水平。该论文提出的系统可以检测高达450mg/dl的血糖水平，其实验结果与商用血糖仪读数高度相关，在不久的将来，实验模型的微型版本可能对人类社会有用。

图1（a）血糖水平测量系统的流程图；（b）采购的超声收发器对（WZT40和WZR40）；（c）样本夹具

慢性糖尿病，通常被称为“糖尿病（DM）”，正呈指数级增长，预计到2030年，全球患者将超过5.52亿，这是世界卫生组织（WHO）的预测。这导致20至70岁年龄组的死亡率升高。由于这一日益严重的事件，WHO已将糖尿病宣布为世界流行病。预计到2030年，全球每年用于糖尿病管理的医疗保健支出将从3760亿美元增加到4900亿美元。定期监测血糖并维持身体血糖水平是预防糖尿病的有效措施。为此，有必要设计/制造成本低、制造工艺简单、连续监测且稳定的最佳血糖监测系统。

商用的无创或微创血糖仪通常从血液样本中测量葡萄糖水平。由于测试条成本高，这些方法很昂贵，而且每次刺入指尖以采集血液样本时使人疼痛。目前人们正在研究无创血糖仪，以实现持续的无痛测量。目前的无创血糖监测方法有荧光法、经皮提取法、电磁变化法、旋光法和光谱法等。这些方法的精度、成本以及简便性，是需要考虑的主要因素。现有的商用血糖仪（BGM）的精度达到96%。为了获得更高的精度，人们正在研究新的测量方法。这些方法大多基于无创系统。

全球众多开发和研究人员的目标是研发无创血糖监测技术，以改善数百万糖尿病患者的生活。然而，要使这些技术像常规血糖测试条一样精确是一项挑战。

研究人员尝试了使用可见光、近红外（NIR）和中红外（MIR）的光学技术以及非光学技术测量血糖浓度。然而，散射现象和较低带宽与血液中葡萄糖的相关性较差。同时，中红外的基本限制是它只能在反射模式下使用，因为它在人体组织中的穿透深度有限，所以无法估计血管中的葡萄糖浓度。光的大量散射和其他生理因素限制了光学旋光法在皮肤血糖测量中的应用。

微波器件，特别是平面谐振器件，具有一些优点，例如制造和集成简单、尺寸小、成本低、令人感兴趣的穿透深度，特别是对于具有最小组织散射的无创测量。在0.64至18.63 GHz的工作频率范围内，研究人员深入研究了基于平面谐振的测量的基本原理和便利性，并设计了基于葡萄糖传感的3D可打印GHz范围的器件。

然而，如果长时间连续使用GHz量级高频的无创方式检测血糖，则会对组织造成损害。为此，在本文的研究工作中，作者们选择了kHz量级的低频范围。本文的研究工作在40kHz超声MEMS收发器上进行血糖传感。超声技术被用作微波技术的替代品。WZT40和WZR40收发器对是从electronics-store4u采购的低功率单向超声收发器，在40 kHz正弦波下的灵敏度为−63±−3 dB。目前研究的重点是设计一种方便无痛的血糖测量设备。但所有设备都处于研发阶段，包括临床试验在内的整改工作仍在持续进行中。

胰岛素抵抗与血清白蛋白水平升高有关。然而，血清白蛋白本身对糖尿病的发展没有影响。尽管尿液中含有极低含量的蛋白质是正常的，但白蛋白高含量是慢性肾脏病（CKD）的众多标志之一，慢性肾脏病是1型和2型糖尿病的常见后果。此前，作者所在团队提出了基于各种生物友好型压电材料的基于超声原理的MEMS血糖传感器。在进行实验实践之前，他们使用领先的压电材料进行模拟，以测试原理的可靠性。基于压电材料的收发器用于产生和接收通过血液样本介质的定向超声波。利用商用血糖仪（CBGM），所接收的信号在模拟环境中测量血液介质的葡萄糖水平，精度达到99%。

在本文中，为了测量血液介质中的葡萄糖水平，作者们提出了一种基于超声MEMS收发器和RVM概率模型的系统。这种低成本系统可以根据需要定期测量患者的血糖水平。超声收发器由工作频率为40 kHz和电压为1.6 V的频率发生器供电，葡萄糖水平的变化会影响超声收发器的读数。RVM概率模型用于确定血液样本中葡萄糖水平的变化。他们同时使用商用血糖仪测量血糖水平以对系统进行验证。该论文提出的基于超声MEMS的血糖仪测量的血糖水平为257±21 mg/dl，并且实验结果与商用血糖仪读数高度相关，在不久的将来，实验模型的微型版本可能对人类社会有用。

图2 基于RVM的预测分析示意图

图3 血糖测量结果：（A）Accu-ckeck Aviva商用血糖仪（259.23±109.37 mg/dl）；（B）该论文提出的血糖仪（257.23±131.33 mg/dl）

审核编辑：郭婷