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血糖感測器

96/12/10 37728

王少君｜中正大學化學暨生物化學系

糖尿病

糖尿病是人類目前的重大疾病之一，以美國為例，約有5％的人口罹患糖尿病。在台灣地區，依據民國91年的統計資料，糖尿病已升為罹病率的第4名。除了死亡的威脅外，糖尿病引發的併發症對病患及家庭造成的問題，以及對醫療健保資源造成的龐大負擔，使得社會對糖尿病愈來愈重視。在臨床診斷上，「血糖感測器」是掌握糖尿病病情最重要的指標工具。研究也證實若患者能夠積極地做自我血糖監視，並且確實做到血糖的嚴格控制，會有助於預防及減緩糖尿病併發症的發生。

醫學上所稱的糖尿病（diabetes mellitus）是一種症候群，是指所有慢性與持續性血糖過高引發的異常生理狀況。到目前為止，對於糖尿病的成因尚不清楚，有可能是胰臟紅組織中的胰島細胞無法製造足夠的胰島素，或是身體無法利用體內生成的胰島素，也有可能是體內的升糖素過高，造成慢性與持續性高血糖症候。此外，也有研究認為是體內對碳水化合物、蛋白質與脂肪的代謝無法正常運作所造成的。

一般而言，糖尿病分成特發性糖尿病與孕婦特有暫時性的妊娠型糖尿病。其中，特發性糖尿病又分成胰島素依賴型（第一型）與非胰島素依賴型（第二型）。世界衛生組織對特發性糖尿病的診斷，建議以下述標準（孕婦除外）來衡量：單次血糖高於每百毫升200毫克，以及空腹血漿葡萄糖高於每百毫升140毫克。

血糖監測

血糖感測器主要應用在糖尿病患者的血糖控制上，測量血糖可對血糖控制的程度進行評估，並且依據血糖監測結果對藥物（胰島素或口服降血糖藥物）劑量進行調整。文獻報告指出糖尿病患者若能有效控制血糖濃度，發生併發症的機會會降至一半到四分之一，因為適時、密集且準確地測量血糖，是有效控制血糖的關鍵。血糖計有可能繼血壓計與體溫計之後，成為重要的居家醫療儀器。

拜科技進步之賜，監測血糖的方法愈來愈方便，使得病患願意採用並積極配合治療，有利於對病情的控制。因此，快速、準確、攜帶方便、且易於使用的血糖感測器，對糖尿病的控制是不可或缺的工具，具有無可限量的市場潛力。通常接受胰島素治療的患者每天應量測血糖2到4次，一般在飯前與睡前進行。對於不需胰島素治療的患者，每周應量測2到3次。至於餐前必須接受胰島素注射的患者，應在每次飯前量測，以便調整注射劑量，確保注射安全。

血糖感測器的原理

血糖感測器是目前最成功的商用生物感測器。所謂生物感測器，是由生物受體與信號轉換器構成的感測元件。生物受體必須與待測物在高度專一的條件下反應，例如血脂肪的生物受體僅能與血脂肪作用，而不會與檢體中的其他物種作用。酵素與抗體是最常用的生物受體，但DNA片段、細胞、胞器、植物，甚至動物組織都可做為生物受體。

信號轉換器是生物感測器的偵測器，用來偵測生物受體與待測物作用時產生的信號。信號可以是電流、電壓或導電度的改變，也可以是轉換器表面附著物質量改變的壓電信號，或者是伴隨熱反應的濕度改變。

具有高度專一性的酵素－「葡萄糖氧化酶」（glucose oxidase，簡稱 GOx），常用來當作生物受體。葡萄糖可以和這種酵素作用而產生具有氧化還原性的物種，這個物種可以用電化學方法來量測。在第1個反應步驟中，葡萄糖與酵素GOx的氧化態作用而轉化為葡萄糖酸，同時GOx被還原。接著，還原態的酵素GOx會與另一氧化態的化學仲介子（chemical mediator）作用而再生，再生的酵素又可與葡萄糖作用。至於還原態的仲介子，會在電極上氧化而產生電流信號，同時再生為氧化態的仲介子，又可與還原態的酵素GOx作用。

血糖感測器的使用非常方便，只需把一滴血置於可拋棄式的電極片上，再把這個電極片插入感測器的讀取元件即可。經過20秒後就可讀到電流信號，而信號的強度就反應出血中葡萄糖濃度的多寡。

血糖感測器的發展

血糖變化的連續偵測，可以提供患者更多關於糖尿病病情控制的資訊。可以作連續偵測的生物感測器，是目前研究單位研發的重點之一。過去美國食品藥物管理局曾核准一種非侵入式、能連續偵測血糖變化的裝置，稱為GlucoWatch G2 Biographer。這個裝置是戴在患者手腕上使用的，外型如同腕表，藉由電場作用吸取體液予以偵測。但這種裝置並非直接量測血液中的葡萄糖含量，且常受到手腕部流汗造成的干擾，在市場上並未廣為流行，因此無法取代傳統的血糖感測器。

另一個方向是發展植入式的感測器。由於這種植入式生物感測器與生物環境如血液、組織等直接接觸，若感測器使用的材質不恰當，容易使傷口發炎而產生如巨噬細胞、淋巴細胞等的分泌液，造成白血球濃度增加。當這些蛋白質或細胞黏附在感測器周圍時，會形成纖維膜並把感測器包覆住，造成感測器靈敏度下降，而逐漸喪失偵測功能。因此，選擇適當的製作材質是相當重要的，尤其必須考量到生物環境與材質間的生物相容性是否良好。

美國凱斯西儲大學（Case Western Reserve University）劉炯權教授的研究團隊，在2005年的研究報告中曾經提出利用厚膜印刷技術，可以大量產製價格低廉的電化學感測器。其製作方法主要是把兩種碳電極（工作電極和相對電極）與銀－氯化銀電極（參考電極）印在聚酯的基材上，其尺寸大小約為25 mm × 10 mm × 0.5 mm。

劉炯權教授計劃進一步把葡萄糖氧化2修飾在工作電極上，以進行血糖的檢測。由於感測器材質與生物環境間的生物相容性相當重要，因此在設計這種植入式血糖感測器前，必須先測試感測器材質是否會導致皮下組織發炎等情形。

首先，以這種電化學感測器偵測Fe²⁺／Fe³⁺的氧化還原反應，並探討感測器與皮下組織間的生物相容性。研究結果顯示感測器植入皮下組織經過49天後，銀－氯化銀電極上雖然有21％的腐蝕，但皮下組織周圍卻沒有發現任何毒性反應。進一步利用掃描式電子顯微鏡檢視電極上細胞附著的情形，發現在銀－氯化銀電極上少有細胞黏附，且在電極腐蝕及電極直接接觸的生物環境周圍，沒有發現白血球濃度增加（傷口發炎）的情形。

上述的研究顯示利用劉教授提出的厚膜印刷技術製作的感測器，所使用的材質與生物環境是具有生物相容性的。如果能夠做進一步的研究，相信日後可以把這種血糖感測器植入人體的皮下組織，進行連續性的血糖偵測。

感謝李佳瑜、楊閔惠與陳曉萍在資料搜集上的協助，與王少谷醫師的建議。

資料來源

《科學發展》2007年12月，420期，42 ~ 45頁

糖尿病(74) 胰島素(35) 科發月刊(5210)

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