生物传感器助力血糖监测行业变革

一、课程简介

生物传感器（Biosensor）是一种用于检测生物分子并将其浓度转换为可用信号的分析装置，其通常有两个主要组成部分：（1）生物分子识别元件/感受器（例如酶、抗体、抗原、微生物、细胞、组织、核酸等生物活性物质）；（2）信号转换器/换能器（例如电化学电极、光学检测元件、热敏电阻、场效应晶体管、压电晶体、表面等离子体共振器件等）。此外，信号放大器和处理器也会根据实际的分析需求而进行配置。当待测物与生物分子识别元件特异性结合后，所产生的复合物（或光、热等能量）通过信号转换器变为电信号或光信号，并经过放大处理后输出可用信号，从而达到检测/分析目标生物分子浓度的目的。

生物传感器组成部分示意图（DOI: 10.3390/s151229783）

根据生物分子识别元件类型，生物传感器可以分为酶传感器、免疫（抗原或抗体）传感器、微生物传感器、组织传感器、细胞器传感器、核酸传感器等。根据信号转换器类型，生物传感器可以分为电化学传感器、光学传感器、比色传感器、质量传感器、热量传感器等。其中，电化学传感器主要包括电位（电势）型、电流（安培）型、阻抗型、电导型等；光学传感器主要包括荧光型、化学发光型、光谱吸收型、表面增强拉曼散射型、表面等离子体共振型等。目前，血糖监测市场上的主流技术路线是电化学法，逐渐取代了比色法，而光学法则成为近些年发展较快的技术路线。

生物传感器分类（DOI: 10.3390/molecules26102940）

1962年，Clark和Lyons首次提出了“在化学电极的敏感膜中加入酶以实现对目标物质进行选择性分析”的设想。1967年，Updike和Hicks把葡萄糖氧化酶（GOD）固定化膜和氧电极组装在一起，研制出首个生物传感器——电化学葡萄糖传感器。后续的电化学葡萄糖传感器发展历程，根据电子传递机制，可以分为四个阶段：（1）以天然介体（氧气）为电子受体的第一代（有酶）传感器；（2）以人工介体为电子受体的第二代（有酶）传感器；（3）无介体的直接电子传递的第三代（有酶）传感器；（4）基于电催化活性纳米材料的直接电子传递的第四代（无酶）传感器。长期以来，生物传感器一直是相当活跃的科技研究方向，并逐步从实验室走向大众市场。如今，生物传感器已被应用于临床医学、食品安全、畜牧兽医、环境监测、发酵工程、军事和科学研究等诸多领域。

四代电化学葡萄糖传感器示意图（DOI: 10.3390/bios12121136）

四代电化学葡萄糖传感器优缺点（DOI: 10.3390/bios12121136）

糖尿病是由遗传和环境因素共同作用而引起的一组以糖代谢紊乱为主要表现的临床综合征，由于患病人数逐年上升，已成为危害人类健康的第三大杀手。由于糖尿病目前无法治愈，患者需要长期服药和干预，一旦疏于护理便可引发眼、肾、神经、血管、心脏等器官的一系列慢性并发症，给患者家庭和社会带来了沉重的负担。血液葡萄糖浓度是临床上诊断糖尿病的有效指标，同时也可作为糖尿病日常控制、代谢综合症进展预测的依据。过去十多年来，血糖监测行业见证了重大变革——从电化学测试条（electrochemical test strips）向连续血糖监测贴片（CGM patch）转变。2010年至2021年期间，连续血糖监测市场的复合年增长率（CAGR）超过了25%。该市场主要由三家美国医疗科技厂商推动发展，它们是雅培（Abbott）、美敦力（Medtronic）和德康（Dexcom）。连续血糖监测还使自动胰岛素给药系统的开发成为可能，推动胰岛素泵市场增长，对胰岛素给药行业带来变化。

血糖监测行业变革：电化学测试条→连续血糖监测贴片

2010年~2021年连续血糖监测（CGM）市场增长情况
（来源：《糖尿病管理技术及市场-2022版》）

鉴于此，麦姆斯咨询邀请生物传感器领域的科研学者及企业高管，为大家梳理生物传感器发展之路，重点传授葡萄糖传感器及血糖监测方面的知识和经验。本次课程内容包括：（1）生物MEMS与传感器及健康医疗应用；（2）场效应晶体管（FET）生物传感器；（3）单细胞可穿戴微纳生物芯片技术；（4）血糖监测传感技术及系统综述；（5）连续血糖监测生物传感器及系统；（6）连续血糖监测传感器微电极制造及产品开发；（7）集成纳米压印的微型MEMS柔性血糖传感器；（8）基于葡萄糖敏感型水凝胶的连续血糖监测技术；（9）可穿戴柔性电化学葡萄糖传感器；（10）类皮肤表面生物传感体系及其无创连续血糖监测功能；（11）基于呼吸气体分析的血糖监测技术。

审核编辑：刘清

传感器生物效应信号

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