超薄貼片，糖尿病患者的福音

糖尿病貼片貼到體表後只有大約1毫米厚，從體表撕下之後還能重新粘貼。(南方周末資料圖/圖)

一項最新研究表明，利用石墨烯的材料製作的糖尿病貼片，可以使病人對自己的血糖水平進行24小時的實時監控。如果血糖水平過高，貼片就會自動釋放藥物，以降低血糖水平。這一成果如果能夠取得臨床應用，無疑將會提高病人的生活質量。

迄今為止，糖尿病的治療手段主要是通過服用或者注射藥物來控制血糖。對那些每天都需要注射藥物(主要是胰島素)的病人來說，注射不僅痛苦，而且如果由於種種原因沒有或者忘記了按時注射，將可能導致嚴重後果，甚至危及生命。即使是那些通過服藥來控制血糖的病人，也仍然需要通過采血來監控血糖水平，經常被采血針扎同樣不是一種令人愉快的經歷。

科學家最近的一項發明在未來有望解除糖尿病患者的這些困擾。韓國的科學家最近在著名的科學期刊《自然納米技術》(Nature Nanotechnology)上發表了一篇研究論文，介紹了他們使用一種叫石墨烯的材料製作的糖尿病貼片。

整個系統包括一個手機大小的攜帶型電化學分析儀、一部智能手機和一張超薄的貼片。在把貼片貼到體表之後，病人就能夠對自己的血糖水平進行24小時的實時監控。如果血糖水平過高，無需病人任何操作，貼片就會自動釋放藥物，降低血糖水平。如果在未來能夠取得臨床應用，這種貼片將會幫助病人更好地控制血糖水平，而且毫無疑問會極大的提高病人的生活質量。

神奇材料

石墨烯是一種只含碳原子的二維材料，是迄今為止最薄的材料，厚度只有人頭髮直徑的一百萬分之一;有極好的導電導熱性能;非常強韌，強韌的程度是鋼材的200倍;有很好的柔韌性，能夠耐受各種形變等。由於這些堪稱神奇的性質，石墨烯在電子學、生物工程、複合材料、太陽能電池和能源儲存等領域有著非常廣闊的應用前景。

金大鉉(Kim Dae Hyeong)是韓國首爾國立大學化學與生物工程學院的材料科學家，也是這項研究的領導者。他的實驗室主要致力於整合微電子學和納米材料科學領域的技術，研發有潛力的生物醫學設備，尤其是攜帶型的可穿戴設備。

他注意到了石墨烯的這些優點，帶領自己的團隊與其他一些科研小組合作，嘗試用石墨烯作為平台，在上面搭載各種生物醫學檢測元件，研發能夠監測並降低血糖水平的可穿戴設備。

科學家最初製備石墨烯的方法原理非常簡單：把膠帶粘貼到石墨上，然後撕下膠帶，再用新的膠帶粘貼撕下來的這一片石墨，再一次撕膠帶。不斷地重複這一操作，石墨片就會變得越來越薄，直到最後得到只有單層碳原子的石墨烯。但是這種方法不僅產率低、成本高而且難於製備出大尺寸的石墨烯。

隨著研究的深入和技術的進步，科學家現在已經能用很多種方法來製備石墨烯。其中有一種叫做化學氣相沉積的方法由於能夠規模化地製備出高質量、大尺寸的石墨烯，正受到越來越多的關注。

當把這種方法製備的石墨烯用來搭載生物醫學檢測元件時，科學家卻遇到了一個也許會讓普通人覺得不可思議的障礙：這些石墨烯的質量太好了。

李賢宰(Lee Hyun Jae)是金大鉉實驗室的研究人員，也是這篇研究論文的三名第一作者之一。他告訴南方周末：「化學氣相沉積法製備出的石墨烯質量很高，也就是說這些石墨烯的『缺陷密度』很低。」據李賢宰介紹，高質量的石墨烯的電化學活性比較低，這使在石墨烯上集成用電化學反應進行信號檢測的元件難度較大。石墨烯上的缺陷位點，或者說「瑕疵」，「能夠幫助檢測元件上的材料與石墨烯通過化學鍵結合到一起。但是過多的缺陷位點又會降低系統的電學特性」。

這就意味著這項研究中使用的石墨烯需要拒絕「完美」，但同時質量又不能太低。通過實驗，李賢宰和同事發現如果在石墨烯上添加一層金顆粒，石墨烯的電化學活性將會得到大幅度的提高，滿足這項研究的需要。

毫釐之間

韓國科學家的這項發明包括三個部分：一張糖尿病貼片、一個手機大小的攜帶型電化學分析儀和一部智能手機。貼片通過介面與分析儀相連，而分析儀與手機之間能夠通過無線進行信號傳輸。糖尿病貼片上搭載的檢測元件能夠對各項生理指標進行檢測。電化學分析儀通過介面與貼片相連，一方面為貼片供能，一方面對貼片檢測到的電化學信號進行分析，並把分析結果傳輸給智能手機。在對結果進行進一步的分析處理之後，手機上的應用軟體會根據使用者的血糖水平向貼片發出相應的指令。如果血糖水平過高，貼片就會釋放降糖藥物。

要想實時監測血糖水平，並在血糖過高時釋放藥物，這張貼片必須要包含三個模塊：首先需要一個能實時準確檢測血糖水平的模塊;同時還需要一個儲存和釋放降糖藥物的模塊，當病人的血糖過高時，這個模塊需要立刻向病人體內釋放藥物;最後還需要一個信號反饋的部分，當血糖水平降低到正常水平時，這個模塊會「通知」系統停止釋放藥物，避免出現血糖水平過低的情況。通過精巧的設計，李賢宰和同事把所有這些模塊整合到了一片石墨烯上。整個系統不僅尺寸很小，長寬分別為6厘米和4厘米，而且非常得薄：厚度只有大約1毫米。

超薄的藝術

為了便於貼片把檢測到的信號傳遞給電化學分析儀，李賢宰和同事在石墨烯上添加了一層金網。除了能夠傳遞電信號之外，這層金網還使貼片能夠很方便地與電化學分析儀的介面實現連接。通過一種叫做光刻的技術，研究人員把連接金網節點與節點間的金箔絲做成了扭曲的蛇形，這種連接方式為整個金網提供了充分的緩衝空間，使它能夠耐受拉伸和扭曲形變，不會損壞。科學家們隨後又在石墨烯上添加了金顆粒，大幅度地提高了其電化學活性。

這片石墨烯/金網很薄，厚度只有幾微米(1微米=0.001毫米)，非常不利於使用者使用，所以研究人員又通過一種叫做轉移印刷(transfer printing)的技術把它轉印到了一層厚薄適度(但仍然很薄)的透明柔性貼片上。據李賢宰介紹，這層柔性貼片在從皮膚上撕下來之後，仍然能夠重複粘貼使用。

科學家們接下來把血糖檢測模塊中的各種檢測元件添加到了這片石墨烯/金網上。由於這些檢測元件的材料各不相同，所以需要逐一進行添加，但添加的原理都是一樣的。李賢宰告訴南方周末，使用一種叫做電沉積的技術，通過控制電場，他「讓反應液中的相應材料一點點地『長』到石墨烯/金網的指定位置上，從而形成了各式各樣的檢測元件」。要想執行相應的功能，有一部分檢測元件還需要一些生物或者化學試劑。在把所有元件添加到石墨烯/金網上之後，他和同事又把這些試劑逐一地添加到了相應的元件里。

除了血糖檢測模塊之外，貼片上的降糖模塊同樣也很精巧。研究人員首先把一種降低血糖的常用藥物二甲雙胍和一種能被機體吸收的材料混合到一起，然後把這種混合物灌注到很小的顯微針形狀的模具里。在把石墨烯/金網(已經被搭載在了柔性貼片上)蓋在模具上之後，李賢宰和同事利用交聯反應，把這種混合物固化成了一個由很多顯微針組成的藥物儲存/釋放元件，並將其從模具中輕鬆地剝離下來，交聯反應同時還把這個藥物儲存/釋放元件成功地集成到了石墨烯/金網上。這些顯微針每一個都可以看作是一小「瓶」二甲雙胍，能夠被機體逐漸吸收。由於這些顯微針非常微小，最大直徑(根部的直徑)只有250微米(0.25毫米)，高度只有大約1毫米，所以貼到體表扎進皮膚時並不會感到疼痛。

為了保證在血糖水平正常時這些藥物不被機體吸收，科學家們隨後又在這些顯微針的表面噴洒了一層熱敏材料。通過在這個降糖模塊上搭載一個加熱元件，整個系統能夠保證只有在需要時藥物才會被釋放：當血糖水平過高時系統會發出指令讓加熱元件升溫，直至熱敏材料融化(材料達到41度時就會融化)，這時顯微針就能被機體吸收，達到降低血糖的目的。據李賢宰介紹，「由於這個加熱元件是分批次對顯微針進行加熱的，所以並不會出現加熱一次就把顯微針用光的情況」。

貼片負責信息反饋的部分包括兩個元件，被分開搭載在了血糖檢測模塊和降糖模塊上。科學家在降糖模塊上添加了一個溫度測量元件，這個元件能夠檢測加熱元件的溫度，如果溫度過高，手機應用會發出停止加熱的指令，避免使用者被燙傷。當血糖水平過低時人會出現打顫的反應，李賢宰和同事利用了這個現象來保證藥物不被過量釋放：他們在血糖檢測模塊上搭載了一個顫抖感受元件，當這個元件檢測到使用者出現了頻率大約為1赫茲(每秒鐘1次)的顫抖時，系統也會停止加熱，不再釋放藥物。

在把所有這些模塊添加上去之後，這張貼片仍然非常薄，貼在體表之後只有大約1毫米厚。精巧的設計和精細的製造工藝使它不僅是多門學科交叉整合的結晶，同時也像是一片超薄的藝術品。

精準控糖

糖尿病患者日常監測血糖(血糖中的「糖」指的是葡萄糖)水平的方式幾乎都是指尖采血，然後用血糖儀進行檢測。但在這項研究中，科學家們並沒有用采血的方式來監測血糖。

在人分泌的汗液中同樣含有葡萄糖，而且研究發現汗液中葡萄糖的水平與血液中葡萄糖的水平存在著關聯性，因此從理論上說，用汗液中檢測出的葡萄糖水平能夠反推出血液中的葡萄糖水平。

這張貼片的血糖檢測模塊中有一個吸汗元件，能夠把使用者體表分泌的汗液吸進貼片里。為了保證系統只在汗液充足的時候才進行葡萄糖水平的檢測，貼片上還搭載了一個濕度檢測元件。只有這個元件檢測到貼片里的相對濕度達到80%以上，也就是有充足汗液的時候，手機上的應用軟體才會向貼片發出指令，讓其檢測汗液中的葡萄糖水平(在貼到體表之後，貼片通常在很短的時間內就能收集到足夠的汗液)。

李賢宰和同事把這種貼片分別在人和糖尿病小鼠上進行了測試，並與其它的方法進行了比較。研究結果表明，貼片檢測出的血糖水平與使用非常靈敏的化學檢測試劑盒測出的血糖水平高度地一致，準確性比糖尿病病人廣泛使用的家庭用血糖儀還要高。在糖尿病小鼠上的實驗顯示當手機應用發出藥物釋放的指令之後，釋放的藥物能夠把小鼠的血糖迅速地降低到正常水平，由於釋放的藥物直接進入血液，所以藥物的使用效率比通過口服要高，起效的速度也更快。

雖然這個貼片系統使用便捷、性能優異，但李賢宰仍然很冷靜。他認為要想在臨床上取得應用，這個系統還有不少地方有待完善。一方面目前降糖部分的實驗是在小鼠上進行的，未來還需要在人體上進行進一步的測試。另一方面，「如果糖尿病病人使用這種貼片，一張貼片現在至少能夠使用一天，」李賢宰介紹說，「但如果對系統檢測的頻率和藥物儲存的方式進行優化，在未來一張貼片的使用壽命有可能會更長。」除此之外，他認為在血糖檢測元件的穩定性等方面這個系統也還有提升的空間。當被問到糖尿病病人還要等多久才能用上這種貼片時，李賢宰認為至少還要5年，但他對這個系統充滿信心。

TAG:糖尿病之友 |

※糖尿病患者福音：鴨嘴獸的毒液
※鴨嘴獸毒液：糖尿病患者的福音！
※糖尿病患者不要怕，它是糖尿病的福音，水裡加一點，健康降血糖
※降血糖、血脂，高甜還減肥！這種水果簡直是糖尿病患者的福音！
※糖尿病患者的福音，狂吃也不會增血糖的8款食品
※4招讓米飯升糖慢，減肥者糖尿病患者的福音！
※胖子易患糖尿病，常喝這種糖尿病剋星，減肥消脂降血糖！
※糖尿病患者請注意最愛「鑽空子」的糖尿病足！
※荷蓮全身都是寶，糖尿病患者的福音，不僅控糖、還能瀉火！
※糖尿病患者的福音：陰虛陽亢者禁服
※糖尿病患者该怎么应对消瘦呢
※它是糖尿病患者的「福音」，常吃穩定血糖
※這種果子泡的水，居然是糖尿病患者的飲料，吸煙者的清肺品
※這種果子泡水，居然是糖尿病患者的飲料，吸煙者的清肺品
※這種果子泡的水，竟是糖尿病患者的飲料，吸煙者的清肺品！
※這種果子泡的水，竟是糖尿病患者的飲料，吸煙者的清肺品
※糖尿病的福音，有效降血糖不反彈，快收藏
※糖尿病患者喝什麼？
※糖尿病患者，血糖低比血糖高更恐怖！