石墨烯可穿戴设备，引发糖尿病监控大变革

石墨烯问世以来，在包括化学、材料学的多个方向都展示出了巨大的应用前景，X-MOL在近期就报道过多次石墨烯的应用，比如作为滤网分离质子和其同位素氘核（阅读详情）、作为电极材料提高电池性能（阅读详情）、作为催化剂催化氧气还原反应（阅读详情）等等。

最近，以韩国首尔大学Dae-Hyeong Kim教授为首的研究团队在《Nature Nanotechnology》发表了文章，报告了基于石墨烯的可穿戴设备在糖尿病治疗领域的新用途。糖尿病人需要长期监控血糖水平并服用药物，目前的常见的测血糖方法大都需要抽取血液，麻烦且有健康风险。Kim等人发明的这种可穿戴贴片，贴在皮肤上，通过测量人体汗水中的葡萄糖含量来检测血糖水平，不会造成任何创伤，而且还能够通过皮肤输送治疗糖尿病的药物。（A graphene-based electrochemical device with thermoresponsive microneedles for diabetes monitoring and therapy. Nat. Nanotechnol., DOI: 10.1038/nnano.2016.38）

图片来源：Seoul National University

该团队之所以决定检测汗水里的葡萄糖含量，是因为以前的研究已经证明汗水中的葡萄糖含量可以被用来评估血糖的水平。

可穿戴贴片结构示意图（a）、工作原理（c）及照片（b、d）

这个新的器件采用了氟聚合物Nafion层吸收汗水，并将其转移到相关的传感器上，而这些传感器正是基于修饰过的石墨烯。该团队在石墨烯中掺入金原子，并用电化学活性材料来使其功能化。在这种可穿戴贴片的葡萄糖传感器中，葡萄糖氧化酶与葡萄糖反应生成过氧化氢，而这种物质可以与该掺杂石墨烯相互作用并产生电信号，该电信号与葡萄糖的含量成一定比例。该贴片还包含了pH传感器和温度传感器，以帮助确保葡萄糖传感器的信号能准确地反映汗水中葡萄糖的水平。葡萄糖传感器的信号可以被传送到一个分析模块上，然后用无线方式将数据传输到输出终端，比如智能手机。

当两个健康志愿者使用贴片时，其测得的血糖水平与市售血糖仪的结果相吻合，包括餐后血糖暂时升高的情况（‍‍见下图e‍‍）。

该可穿戴贴片的另一部分是给药模块，包括刺入皮肤的1毫米长的聚合物微针阵列。每个微针都由糖尿病药物二甲双胍和可溶性聚合物聚乙烯吡咯烷酮混合制成。这些微针都在表面涂有一层十三烷酸，防止这些微针溶解。微针阵列顶部有一层由金和石墨烯网组成的“加热器”（见下图n），可以熔融十三烷酸涂层，于是微针就会溶解并释放出糖尿病药物。在糖尿病小鼠实验中，这种该可穿戴贴片可以为小鼠提供足够的二甲双胍，使动物过高的血糖水平在6小时内降低50％以上（见下图o）。

巴斯大学的Richard Guy认为该贴片的葡萄糖传感器比给药模块更接近实用，这是因为实际应用中的给药模块，其微针阵列需尽可能小，这就意味着研究人员们必须找到一种糖尿病药物，能在微针所能携带的低剂量下也有良好的降糖效果。Guy也指出，葡萄糖传感器也需要解决校准问题，如何确保在使用中长时间的保证读数的精确。

不过，Guy还是认为该可穿戴贴片令人印象深刻。他在一篇专门的评论中说，糖尿病治疗的最佳方式是采用一个非侵入性的方法来监测和控制血糖水平，而这项研究成果使得科学家们向这个目标更进一步。

1. http://www.nature.com/nnano/journal/vaop/ncurrent/full/nnano.2016.38.html

2. http://cen.acs.org/articles/94/i13/Graphene-patch-help-patients-manage.html