可植入血糖驱动代谢燃料电池用于血糖水平的持续监测和调控-德赢Vwin官网网

智能电子设备正越来越多地主导着我们的日常生活，并已经在生物医学领域中塑造了一个个新的诊治机遇。糖尿病目前仍处于不可治愈状态，如何利用科技发展治愈糖尿病是科学家们近年来致力攻破的难题之一。

我们已经知道，1型糖尿病和晚期的2型糖尿病患者因体内的胰岛素绝对缺乏，必须从外部获得胰岛素来调节血糖水平。与身体连接的胰岛素泵可以通过外源性补充胰岛素来实现糖尿病的部分治疗，但这些设备的运行目前需要依靠一次性电池或可充电电池来提供能量，无法实现电池的自动运作和持续运转，导致便利性和移动性欠佳，限制了该类装置在临床的有效推广。

因此，设计一种强大的、自给自足的、在生理条件下工作的植入式发电装置将对包括胰岛素泵在内的许多医疗应用产生变革性的影响。近期，来自苏黎世联邦理工学院（ETH Zurich）以及巴塞尔大学（University of Basel）的研究人员设计了一种新型的葡萄糖动力电池，可以将患者体内的葡萄糖直接转化为电能。相关研究成果以“Blood-Glucose-Powered Metabolic Fuel Cell for Self-Sufficient Bioelectronics”，于近期发表在Advanced Materials期刊上。

该研究利用一种新的含铜导电调谐三维碳纳米管复合材料，设计了一种可以持续监测血糖水平的血糖驱动代谢燃料电池，在高血糖期间将过量的葡萄糖转化为电能，并产生足够的能量（0.7 mW/cm²，0.9 V，50 mM 葡萄糖）来驱动光电遗传，调控β细胞的胰岛素释放。研究表明，在1型糖尿病的实验模型中，通过结合电代谢转化和胰岛素释放介导的细胞消耗，可以将血糖监测与消除过量血糖相结合，从而使代谢燃料电池能够以自动、自给自足和闭环的方式恢复小鼠的血糖稳态（图1）。

图1 非酶代谢燃料电池闭环控制血糖稳态的示意图

这已经不是Fussenegger研究团队第一次将科技与糖尿病相结合的伟大尝试，早在2016年，该团队就利用一种简单明了的工程学方法制造出人工胰岛β细胞，并将以上研究成果发表在Science杂志上。在这项研究中，他们使用了一种基于人肾细胞的HEK细胞膜中天然的葡萄糖转运蛋白和钾离子通道，利用电压依赖性钙离子通道、产生胰岛素或GLP-1的基因提高它们的功能。当血糖水平超过某个阈值时，钾离子通道关闭。这会颠倒细胞膜上的电压分布，导致钙离子通道打开。随着钙离子流进，它触发HEK细胞内在的信号转导级联事件，导致胰岛素或GLP-1的产生和分泌（图2）。这些带有高科技色彩的人工β细胞能够完成天然的β细胞做的任何事情：包括测量血液中的葡萄糖浓度以及产生足够的胰岛素来有效地调控血糖水平。

图2 HEK-293细胞葡萄糖传感图

值得一提的是，在2020年5月29日的Science期刊上，该研究团队再次发表了Fussenegger团队关于该领域的最新研究进展。该研究团队利用合成生物学方法工程化改造人胰岛β细胞，首次使用定制的生物微电子设备在1型糖尿病小鼠体内对人工β细胞进行无线电刺激，实现了对胰岛素合成和释放的精准调控（图3）。该研究所展示的电遗传学调控工具，是继光、磁、无线电波、超声等基因调控系统之后，又一项极具应用前景的远程调控细胞功能的工具。这也是生命科学界首次实现直接以电信号为媒介远程精准调控哺乳动物细胞基因表达和胰岛素释放的功能。

图3 如硬币般大小的生物微电子设备植入小鼠体内

让我们再次回到2023年这篇文章，该团队人员基于以上研究成果继往开来的开发了结合两种技术的最新装置（能在电压控制下释放胰岛素的人工胰岛β细胞+血糖驱动代谢燃料电池），该装置在血糖过高时会激活燃料电池，分解葡萄糖产生电力，刺激人工胰岛β细胞释放胰岛素以降低血糖。血糖回到正常水平后，燃料电池停止运作，胰岛素释放中止（图4）。并在1型糖尿病小鼠进行试验，发现该装置不仅实现了血糖的有效控制，而且燃料电池表现出良好的耐久性。实现了以自动、自给自足和闭环的高科技方式，为糖尿病的治愈提供可能。

图4 代谢燃料电池光遗传刺激人胰岛β细胞释放囊泡胰岛素

“路漫漫其修远兮”，虽然该领域在这几年内陆续出了可喜的研究成果，但目前此类装置还处于动物研究的层面上，研究人员表示未来要应用于临床实践并实现糖尿病的治愈，还有很长的一段路要走。

审核编辑：刘清

声明：本文内容及配图由入驻作者撰写或者入驻合作网站授权转载。文章观点仅代表作者本人，不代表德赢Vwin官网网立场。文章及其配图仅供工程师学习之用，如有内容侵权或者其他违规问题，请联系本站处理。举报投诉

动力电池

动力电池

+关注

关注
113

文章
4531

浏览量
77605
燃料电池

燃料电池

+关注

关注
26

文章
957

浏览量
95157
碳纳米管

碳纳米管

+关注

关注
1

文章
150

浏览量
17277
电信号

电信号

+关注

关注
1

文章
817

浏览量
20562

燃料电池测试负载如何进行负载测试？

运行后，逐渐增加负载电流，使燃料电池承受实际工况下的负荷。在此过程中，需要持续监测燃料电池的各项参数，如电压波动、温度变化、燃料消耗等，以评

发表于 12-16 15:53

燃料电池测试负载的工作原理是什么？

，燃料电池的性能参数如输出电压、电流、功率等需要通过专门的测试设备进行实时监测和分析。 燃料电池测试负载的主要作用是模拟燃料电池在实际工作过程中的负载情况，以便更准确地评估其性能。测试

发表于 12-06 16:31

一种可以提升动态血糖监测均匀性和精确度的导电油墨

的方法，极大地改善了糖尿病患者的治疗效果和生活质量。然而，CGM系统面临着精确度和生产成本的挑战，这些痛点限制了其更广泛的应用。动态血糖监测技术通过植入式传感器或非侵入式监测设备，

发表于 11-08 10:26

血糖监测仪解决方案

。 02方案概述血糖监测仪用于确定血液中大致的血糖浓度，是面向1型和2型糖尿病患者的重要家用血糖监测

发表于 10-09 10:29

瑞萨用于连续血糖监测的闭环操作胰岛素泵解决方案

对于糖尿病患者而言，严格控制血糖水平至关重要，因为它可以有效预防糖尿病并发症。然而，传统的血糖监测方式（指尖采血）存在检测频率低、操作繁琐等弊端，难以帮助患者便捷、实时了解血糖变化。

发表于 07-12 17:07 •2027次阅读

美国FDA批准雅培公司两款连续血糖监测系统

糖尿病患者，提供给希望对自己的新陈代谢有更深入的了解的人群。Libre Rio是为不依赖胰岛素的2型糖尿病患者设计的。两种产品都可以在OTC柜台上买到，无需医生处方。 CGM是一种小型可穿戴传感器，它可以穿透皮肤实时跟踪一个人的血糖水平 —— 实际上并不测量你的

发表于 06-29 17:08 •1720次阅读

EPSON爱普生32.768KHz+38.4MHz晶体助力连续血糖仪CGM新赛道

ContinuousGlucoseMonitoring，简称CGM，连续血糖监测系统。血糖仪是一种现代的医疗技术，用于测试人体血液中的葡萄糖浓度。与传统的

发表于 05-21 08:28 •498次阅读

用于无创血糖监测的深度门控中红外光声传感器

无创血糖监测（NIGM）是一种可以替代指尖采血法的极具吸引力的血糖评估和糖尿病管理方法。

发表于 04-07 09:28 •717次阅读

一种基于物联网（IoT）的可穿戴血糖监测（iGM）系统

定期监测血糖水平对于糖尿病的管理和制定适当的治疗方案来说至关重要。传统的血糖（BG）检测需要刺破手指，是一种侵入性技术。如指尖采血检测等侵入性过程对患者的依从性有负面影响。

发表于 03-26 09:21 •1705次阅读

直径仅为5mm的微型光学传感器，有望应用于连续无创血糖监测

一直以来，糖尿病患者都需要依靠指尖采血或贴敷微针来测量并管理血糖水平。除了疼痛之外，这些方法还会带来瘙痒、发炎和感染等副作用。

发表于 03-25 09:25 •1455次阅读

苹果三星研发无创血糖监测技术，有望减轻依赖胰岛素的糖尿病患者

尽管实现腕式无创血糖监测仍需数年努力，目前相关研究已取得显著进展。展望未来，依赖胰岛素的糖尿病患者或许能通过智能手表上的传感器持续监控血糖水平，有效缓解日常诊治压力。

发表于 03-18 14:35 •710次阅读

一种使用近红外照明来进行人体血糖测定的设备设计

使用光学传感技术评估血糖水平是监测糖尿病患者的一种有前途的技术路径，可能会成为侵入性血液采样技术的替代方案。

发表于 03-18 09:26 •2198次阅读

思瑞浦推出一种CGM动态血糖仪监测血糖变动水平的应用方案

传统的血糖仪简称BGM（Blood Glucose Monitor，指尖血糖监测），需要频繁穿刺手指采血，会带来疼痛感且存在潜在感染风险，同时，BGM还存在血糖

发表于 03-07 10:18 •2716次阅读

FDA明确指出智能手表等设备血糖检测不可靠，误诊风险高

FDA特别强调，目前市面上的智能手表以及其他同类设备尚无一款能直接且非侵入式地检测出患者的血糖水平。假使测量的数据不准，接受连续血糖监测的糖尿病患者可能因用药不当而引发危险。

发表于 02-22 16:10 •1021次阅读

车用氢燃料电池升压DC-DC测试

电机控制器供电驱动电机运转，在实际量产测试时由于功率密度高（一般为 60-120kw 电堆）、电压高（燃料电池直接输出 200V 左右，DC-DC 升压后达到 600V 左右）、电流高

发表于 02-22 11:20