肾脏是体内过滤代谢废物，并产生身体营养生物化学物质的重要器官。慢性肾脏疾病现已成为世界各地的公共卫生问题，给全球经济带来巨大压力。全球慢性肾脏疾病的估计患病率约为10%，其相关死亡率在过去20年中增加了41.5%。血清肌酐是肾功能最常用的指标，用于肾脏疾病的检测、疾病分期和监测。当肾脏保持健康状态时，血清肌酐水平保持在稳定范围内，即44—106μmol/L；当肾脏功能失常，体内排泄肌酐的能力受损，血清肌酐浓度将超过生理范围的最大水平。医院检测肌酐的常用方法是基于分光光度计，价格昂贵、操作复杂、耗时长、仪器体积大，无法进行居家检测和精准疾病管理。
北京大学“精准医学生物传感器”团队研制了肾病肌酐生物传感器，生物传感器具有检测速度快、低成本和尺寸便携等优势，该传感器可以在0.05—1.4mM的线性范围内确定肌酐浓度，对临床血液样本的检测，该传感器性能与医院广泛使用的Jaffe方法相似。另外，基于酶的肌酐传感器在储存过程中稳定性差，限制了其实际应用。为了将这些传感器应用于实际临床患者，研究团队研究了酶在电极上的固定方法，肌酐生物传感器在室温下的储存稳定性显著提高，可以在4个月以上保持传感性能不会显著下降。在临床样品检测中，传感器可以探测血液样本中的肌酐，相对误差在20%以内，和医院检测结果具有高度一致性，并且仪器小型、廉价、可携带，可用于居家使用以精准管理疾病的发展过程。
图1 北京大学研制的“肾病肌酐仪”
图2 肾病传感器
图3 传感器检测与标准方法检测不同浓度肌酐实际全血血样的比较
中国是糖尿病第一大国。糖尿病是一种慢性代谢性疾病，当胰腺无法产生胰岛素或当身体无法使用其产生的胰岛素来维持人类的血糖平衡时。血糖水平和胰岛素需求受多种因素影响，血糖水平和胰岛素需求的日常变化可能非常大。糖尿病的发展可能导致高血压、脑血管疾病、冠心病、视网膜病变，以及其他并发症。实时检测患者的血糖水平并注射胰岛素以将血糖水平维持在正常范围内，对糖尿病的管理至关重要。长期临床试验表明，加强对糖尿病的控制可以显著降低高血糖并发症的风险，减少住院治疗，节省医疗成本，避免无效药物，并挽救生命。糖尿病的闭环系统可以提供对糖尿病的更强控制，并且它通常包括连续的葡萄糖监测传感器和用于连续输送胰岛素的胰岛素泵。然而，传统的设备装置很大并且非常昂贵。此外，大多数消费者不希望可穿戴设备过于显眼。这些限制了闭环系统在糖尿病患者中的广泛使用，到目前为止，只有极少数糖尿病患者能够使用商业产品。
图4 北京大学研制的“可穿戴智能糖尿病闭环皮肤贴”
北京大学“精准医学生物传感器”团队研制了糖尿病智能闭环皮肤贴，皮肤贴纽扣大小，极大地降低了目前商用闭环系统的整体体积和价格，致力于实现中国糖尿病患者人人用得起的目标。糖尿病闭环皮肤贴含有微型糖尿病传感器及微型胰岛素注射泵，传感器及注射泵均有电学信号控制，可以精准、同时、实时连续地进行血糖检测及注射胰岛素的功能，并通过血糖浓度的高低，智能精准控制胰岛素注射量和注射速度，稳定血糖浓度。用于与皮肤共形接触的装置的柔性特性使得装置可佩戴并降低感测信号的噪声。皮肤贴采用材料的生物可降解特性使该设备佩戴更安全。闭环贴片是小型化的、可穿戴的、无痛的、重量轻的、具有成本效益的。并且该系统对糖尿病大鼠实现了有效的治疗，在糖尿病大鼠中实现了稳定的血糖浓度控制。
图5 糖尿病智能闭环皮肤贴原理和结构示意图
图6 糖尿病闭环皮肤贴对糖尿病大鼠的治疗
北京大学“精准医学生物传感器”团队在肾病、糖尿病的长期管理领域发表了系列论文，包括“A Wearable, Sensing-Controlled, Ultrasound-based Microneedle Smart System for Diabetes Management”,ACS Sensors（2023）封面论文；“A Wearable, Minimally-Invasive, Fully Electrochemically-Controlled Feedback Minisystem for Diabetes Management”, Lab on a Chip（2023）封面论文；“A Microtube-based Wearable Closed-Loop Minisystem for Diabetes Management”, Research（2022）；“Uric Acid and Creatinine Biosensors with Enhanced Room-Temperature Storage Stability by a Multilayer Enzyme Matrix”, Analytica Chimica Acta（2022）等一系列期刊论文。博士生罗小进、刘逸群为糖尿病智能闭环皮肤贴论文的第一作者；博士生刘逸群、董亚萍为肾病肌酐传感器论文的第一作者；博士生余琦、徐菱忆、惠淼等为相关论文的共同作者；吕继成教授为肾病肌酐传感器论文的共同通讯作者；“医工结合”肾病及糖尿病精准医学生物传感器系列论文，均由崔悦和杨莉为共同通讯作者。
