大家好！今天来了解一种基于有机电化学晶体管（OECT）的硬币型、完全集成、微创连续血糖监测系统（OECT-CGM）。这一研究成果为糖尿病患者的血糖监测带来了新的希望和解决方案。接下来，我将从研究背景、系统设计与制备、性能测试与验证、技术优势与局限以及研究结论与展望等方面进行详细介绍。
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一、研究背景
（一）糖尿病现状与血糖监测重要性
糖尿病是威胁人类健康的重大慢性疾病之一。据相关研究指出，糖尿病患者若干预不当，可能出现低血糖等并发症，因此准确检测血糖水平至关重要。连续血糖监测系统（CGM）在糖尿病管理中发挥着不可或缺的作用，它能及时告知患者血糖的持续变化，是实现闭环血糖控制系统的关键设备，同时也被健康人群用于饮食调整和体重管理。
（二）现有CGM技术的局限
现有可穿戴CGM设备存在一些问题。例如，传感器植入过程往往会给患者带来疼痛，这在一定程度上影响了患者的使用意愿（如F.R.Avila等人在PainPract.中的研究）。虽然微针技术的出现为减轻疼痛提供了可能，但在传感器与微针的集成方面仍面临挑战。一种方式是直接在微针上制作传感器，但微加工难度较大；另一种是通过扩散缓冲层连接传感器与空心微针，在运动过程中保持稳定的扩散和良好的界面稳定性是其关键挑战。
（三）OECT技术优势
在追求更精准的糖尿病健康管理背景下，OECT技术因其独特的性能脱颖而出。与传统电化学传感器相比，OECT能够协同电化学和晶体管放大器，提高信号质量。例如，基于PEDOT:PSS的OECT可在低电压（<1V）水环境下工作，功耗低且性能稳定，其操作依赖于电解质中有机混合离子-电子导体（OMIEC）半导体通道的电化学掺杂/去掺杂过程，这种机制赋予了OECT高放大能力（高跨导），从而提高信噪比（SNR），使其成为检测体内弱生物信号的理想技术，同时解决了生物医学传感器中低功耗/高增益的权衡问题。
二、OECT-CGM系统设计与制备
（一）系统组成与原理
1、OECT传感器
结构设计：采用“背靠背”设计，将栅电极置于柔性PI基底背面，通道在正面，通过钻孔连接前后侧，避免面积竞争和交叉污染。其工作输出曲线典型，循环转移曲线显示稳定性良好。
传感机制：葡萄糖分子经微针和水凝胶扩散至传感器，被水凝胶中的GOx氧化，产生的电子经氨基二茂铁介导传递至栅电极，引起栅电压变化，再由OECT放大为变化，从而实现高灵敏度检测。
2、微针阵列
结构特点：采用长度约1mm的空心微针，呈10×10阵列排列，针尖为15μm的锥形设计，角度为15°，便于皮肤穿透，尺寸设计为10mm×10mm×2.2mm以适配系统。
材料处理：表面金属化约100nm的Au层，提高强度和耐久性，增强生物相容性。
3、水凝胶
组成结构：由PAAm和-alginate构建IPN结构，形成坚韧且柔软的双网络（DN）水凝胶，进一步加载GOx用于葡萄糖检测。
功能特性：作为扩散层促进葡萄糖从ISF扩散至OECT传感器，添加柠檬酸盐抑制愈合过程；同时作为粘合剂，确保运动时皮肤-设备界面稳定。通过电化学阻抗谱测量，其葡萄糖扩散系数为，接近水中扩散系数。
4、微型读出系统（PERfECT）
系统特点：尺寸为1.5cm×1.5cm×0.2cm，重量仅0.4g，可与智能穿戴设备无缝集成。
功能模块：电位控制模块可精确控制和（步长2mV），电流监测模块可读取低至1nA的，在电压施加和电流读取方面具有高分辨率，与实验室源测量单元相当。
同时，该系统具备自校准功能，通过阻抗分析检测酶负载栅电极状态，读取实现校准。
（二）制备方法
1、OECT传感器制备
电极与通道制备：在柔性PI基底上，通过阴影掩模沉积金薄膜制作源/漏/栅电极，用喷墨印刷（最小液滴尺寸1pl）沉积PEDOT:PSS作为活性通道层，印刷前对混合悬浮液过滤以避免喷嘴堵塞。
绝缘层与水凝胶制备：用喷墨印刷系统沉积UV固化树脂绝缘层并原位固化；制备由alginate双网络组成的软IPN水凝胶连接栅电极和通道，具体合成过程包括溶液混合、离心、UV固化和交联等步骤。对于葡萄糖检测，将GOx和氨基二茂铁嵌入IPN水凝胶制备酶水凝胶。
2、微针阵列制备
3D打印成型：利用高分辨率3D打印机（S240）通过超精密立体光刻技术制作，设计结构后打印，再经紫外光室固化和异丙醇清洗去除未固化树脂。
3、水凝胶制备
混合与处理：将-alginate、AAm等成分溶解于去离子水，离心去除气泡后，先在UV室固化形成PAAm网络，再将其浸入溶液交联alginate形成第二网络。
与弹性体结合：与生物粘附弹性体薄膜杂交增强粘附性，弹性体薄膜打孔以利葡萄糖扩散，处理后将凝胶前体滴在其上固化形成IPN水凝胶。
4、PERfECT系统制备与评估
定制与集成：修改PERfECT系统以满足CGM需求，采用定制固件和硬件（包括MCU、ADuCM355、BLE单元等），通过标准工艺焊接在印刷电路板上，用fPCB连接器连接OECT传感器，功耗约1mW（采样率1样本/s），通过体外实验评估性能。
三、系统性能测试与验证
（一）体外测试
体外实验以模拟人体动态血糖变化，实验装置包括葡萄糖溶液储液器、可编程注射器和注射泵（图S17）。在0-20mM浓度范围内进行两轮变化，速度为0.3mM/min。与DexcomG6对比，OECT-CGM系统尺寸更小（1.5cm×1.5cm）、重量更轻，虽有约8min响应延迟，但结果可比，MARD值约15%，展示了其实用潜力。
（二）体内测试
在大鼠体内进行葡萄糖跟踪测试，实验前大鼠禁食20小时，实验开始40分钟后注射400mM葡萄糖溶液（10ml/kg）以诱导高血糖状态，OECT-CGM系统贴于大鼠背部，采样率10s/样本，每90s传输10组数据。同时用血糖仪从尾静脉采血验证，结果显示OECT-CGM系统与参考设备在2-16mM检测范围内趋势一致，证明了系统在体内应用的有效性和可靠性。
四、研究结论与展望
本研究成功展示了一种硬币型、全集成的可穿戴OECT-CGM系统。通过巧妙地协同组合OECT传感器、微针和水凝胶，实现了高抗噪能力、可调灵敏度和分辨率等卓越性能。这一系统在体外和体内实验中均表现出良好的性能
五、一起来做做题吧
1、糖尿病患者血糖控制不佳可能引发多种并发症，以下哪项不是糖尿病常见的慢性并发症？（ ）
A. 心血管疾病
B. 视网膜病变
C. 骨折
D. 肾病
2、现有可穿戴 CGM 设备面临的主要问题不包括以下哪项？（ ）
A. 传感器植入疼痛
B. 信号检测不准确
C. 设备体积过大
D. 缺乏系统级开发策略
3、OECT 传感器采用 “背靠背” 设计的主要目的是什么？（ ）
A. 提高传感器的灵敏度
B. 便于与其他部件连接
C. 避免面积竞争和交叉污染
D. 增强传感器的稳定性
4、微针阵列表面金属化 Au 层的作用不包括以下哪项？（ ）
A. 提高强度
B. 增强生物相容性
C. 促进葡萄糖扩散
D. 增加耐久性
5、在体外测试中，OECT - CGM 系统与 Dexcom G6 相比，以下哪项是其优势？（ ）
A. 响应速度更快
B. 尺寸更小
C. 检测精度更高
D. 完全没有延迟
6、体内测试中，OECT - CGM 系统在大鼠身上的实验结果表明了什么？（ ）
A. 该系统在体内完全没有误差
B. 与参考设备检测结果趋势一致，具有有效性和可靠性
C. 只能在高血糖状态下准确监测
D. 采样率过高影响监测结果
7、与传统电化学传感器相比，OECT 传感器的优势不包括以下哪项？（ ）
A. 更高的信噪比
B. 更低的功耗
C. 可调的灵敏度和分辨率
D. 更简单的制备工艺
8、OECT 技术目前在频率响应方面的情况是怎样的？（ ）
A. 频率响应与硅晶体管相当
B. 频率响应无法满足生物电化学检测需求
C. 通过设计可达到兆赫兹响应，能满足基本检测需求
D. 频率响应是其主要优势，远超其他技术
参考文献：
Jing Bai et al. Coin-sized, fully integrated, and minimally invasive continuous glucose monitoring system based on organic electrochemical transistors. Sci. Adv.10, eadl1856(2024).
