用于体内持续葡萄糖监测可注射植入形状记忆电子器件

可植入医疗器件是现代医疗的新兴选项，具有重要而深远的意义。然而，复杂的植入过程、缓慢的伤口愈合以及与手术相关的感染风险，成为了阻碍了其广泛应用的一个普遍性问题。  

为解决以上调整，研究人员提出了一种形状记忆电子器件（SMED），可通过微创注射的方式植入来实现葡萄糖的无线监测。这种SMED是在形状记忆聚合物聚丙交酯己内酯层（PCLAU）上打印电感电容（LC）电路和聚氨基苯硼酸/葡萄糖氧化酶/石墨烯（PAPBA/GOx/GO）传感层而制成，卷曲后可用注射器注射到皮下，并在温和的热刺激下迅速恢复到原来的平面形状。该SMED不仅检测性能优异，而且相对于手术植入减少了伤口面约73%、愈合时间约45%，从而在很大程度上解决了可植入医疗器件所面临的创伤性植入这一普遍问题。近期，相关成果以“Injectable miniaturized shape-memory electronic device for continuous glucose monitoring”为题发表在Cell Press细胞出版社旗下期刊Device上。湖南大学蒋康博士为论文第一作者，翁群红教授为该论文通讯作者。

背景介绍

可植入医疗器件已被广泛应用于现代医疗领域，为疾病的管理和监测、机能的恢复或增强提供了创新性的解决方案。这类医疗器件通常高度依赖外科手术将其植入体内，过程复杂、不便，而且还存在感染、出血、对麻醉的不良反应、以及植入后排异引起的炎症和不适等问题。此外，手术伤口通常较大且愈合缓慢，并会引起相关焦虑和对生活产生干扰。因此，随着可植入医疗器件的不断发展，需要解决与植入相关的操作便捷性、舒适性、安全性和手术伤口等问题。尽管人们已经做了许多努力来改善可植入医疗器件的这些问题，如将器件微型化、半植入化（非整体植入）、可降解化等，但还远不能令人满意。因此，迫切需要开发微创、便捷高效、普适性强的可植入方案。

结果分析

该工作采用形状记忆聚合物来实现SMED形状记忆和恢复功能。如图1A所示，基于PCLAU形状记忆聚合物设计的微型电子器件用注射器在卷曲的状态下注射植入，到达目标部位后通过刺激恢复到功能性平面形状，实现葡萄糖的检测和传感功能。该SMED器件由PCLAU基底层、LC电路层、PCLAU保护层和PAPBA/GOx/GO传感材料层逐层构建而成（图1B）。如图1C，器件的平面尺寸仅为6 × 6 mm，厚度约为0.25 mm，质量约为15 mg。

图1 可注射植入SMED的概念与结构示意图：（A）SMED概念图；（B）器件结构：包括衬底层（PCLAU）、电路层（Ag）、保护层（PCLAU）和传感材料层（PAPBA/GOx/GO）；（C）所制备的电路层和完整的SMED正反面照片

PCLAU形状记忆聚合物具有热刺激响应的特性，而基于PCLAU制备的SMED同样继承了该性质。如视频1所示，卷曲后的SMED在45℃的加热板上约7秒内恢复到原始的平面形状。对于形状记忆聚合物来说，PCLA相和PTMEG相作为可逆相（软段），HDI为固定相（硬段）。当T > Ttrans，软段在外力载荷下通过微观布朗运动形成有序的临时结构，而硬段可以防止分子链滑动、抵抗变形并储存应变能；当T < Ttrans时，PCLAU进入玻璃态，在卸载应力后，还能够保持临时结构；当再加热至T > Ttrans时，储存在硬段中的应变能释放，驱动PCLAU恢复到其原始形状。PCLAU的玻璃化转变温度为37℃，这样的转变温度使SMED具有在生物体内应用的潜力。同时，一系列体外生物相容性实验也证明了SMED良好的生物相容性，适用于可植入医疗器件。

视频1 卷曲后SMED的形状恢复过程（播放速度为实际速度）

用于植入的葡萄糖传感器需要高灵敏和可逆的检测性能，以及稳定的运行性能。这其中传感材料起着关键作用。SMED的传感活性材料为PAPBA/GOx/GO，PAPBA是类似聚苯胺的一种半导体聚合物，其不仅能够通过硼酸基团的酯化反应将GOx与PAPBA链偶联，还具有基于不同质子掺杂状态下电阻的可逆变化。引入GOx用于葡萄糖的特异性识别，而引入氧化石墨烯则可以提高葡萄糖检测的灵敏度和扩大线性范围。如图2A所示，GOx催化葡萄糖并产生H₂O₂，并进一步分解为OH⁻，进而导致PAPBA链的质子掺杂程度的降低而使阻抗增加。利用器件中的LC电路与外部的矢量网络分析仪（VNA）的天线之间的谐振效应，VNA检测并记录因葡萄糖浓度变化而引起的谐振信号S₁₁变化（图2B）。这种传感材料与LC电路结合的设计策略，不仅使得SMED实现了0.35 dB/mM的灵敏度、0.5 mM ~ 14 mM的线性检测范围，还具有实时、可逆和持续监测的能力。

图2 PAPBA/GOx/GO传感材料的性能测试：（A）PAPBA/GOx可逆葡萄糖传感的机制；（B）无线检测葡萄糖传感器的原理；（C）PAPBA的紫外可见光谱；（D）PAPBA和PAPBA/GOx的FTIR光谱；（E）SMED对H₂O₂溶液的S₁₁响应；（F）PAPBA/GOx对葡萄糖溶液的EIS响应；（G）不同浓度葡萄糖溶液下PAPBA/GOx的拉曼光谱；（H）PAPBA/GOx接触葡萄糖溶液前后的N 1s的XPS谱

利用SMED的形状记忆特性，SMED可以用注射器进行皮下注射植入（图3A和3B）。卷曲后SMED的直径为1.7 mm，可以装入到注射器中进行快速微创植入。植入到目标部位后的SMED在接触到45℃的PBS溶液后，能够在几秒钟内从管状恢复到起始的平面形状。这样温和的形状恢复条件和极短的恢复时间避免了对组织的显著损伤（图3C）。在SMED植入5天后对小鼠采集全血进行血常规分析，结果表明注射组相对于手术植入组炎症反应较小（图3D）。HE染色结果（图3E）表明注射组与手术组均在器件/组织界面均存在与炎症反应相关的纤维化现象，但注射组显示出了更小范围的组织破坏与不可逆损伤。此外，注射组还减少了73%的伤口面积且缩短了45%的愈合时间（图3F和3G）。这些结果说明了可注射植入SMED的显著优势，包括简化植入程序、减少伤口和感染的风险，并加速伤口愈合。小鼠体内实验表明，在正常喂养和禁食期间，SMED检测到了明显的葡萄糖浓度变化的S₁₁响应信号，对照商业血糖仪显示准确性较高（图3H和3I）。

图3 SMED体内植入和葡萄糖监测实验：（A）可注射植入SMED及其形状恢复示意图；（B）注射植入（上）和手术植入（下）的过程；（C）荧光标记示踪注射45℃ PBS溶液后SMED的形状恢复过程；（D）植入5天后对照组、注射组和手术组的血常规；（E）注射组和手术组15天后SMED周围组织的H&E染色图像；（F）注射组和手术组在不同天数后的伤口愈合照片和（G）伤口面积变化；（H）SMED体内监测小鼠在不同状态下的葡萄糖浓度变化；（I）摄入不同营养物质时SMED监测小鼠体内葡萄糖浓度的变化

综上所述，该工作提出了一种可注射植入的形状记忆电子器件（SMED）思路，以解决可植入医疗器件传统手术植入所面临的挑战。为了验证这一思路，作者构建了用于体内无线葡萄糖监测的原型器件。这种SMED在温和的热刺激下可以在几秒钟内迅速恢复到原始的平面构型。与传统的手术植入器件相比，可注射植入SMED可减少约73%的伤口面积和缩短约45%的愈合时间，从而有效地降低了手术的创伤性并加速了伤口愈合。得益于所设计的PAPBA/GOx/GO传感材料，SMED具有0.35 dB/mM的灵敏度、0.5 mM ~ 14 mM的线性检测范围，实现了准确、特异和可逆的葡萄糖检测。该研究为未来形状可编程器件的设计提供了启发，有望实际应用于临床、医疗保健等相关领域。

审核编辑：刘清