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血汗淚的交織史–用眼淚感測血糖的智慧型隱形眼鏡

隨著科技進步,各種儀器都逐漸整合在穿戴式產品中,而幾乎無感的隱形眼鏡也成了穿戴式商品的兵家必爭之地。上個世紀末,科學界就試圖利用淚水量測血糖濃度,2014年Google終於發表了能夠監控血糖的智慧型隱形眼鏡,數十年的發展更結合了多國學者的智慧結晶,而台灣的學者更有幸參與研發,成為促進科技進步的推手之一
 
 
 
「超薄、零觸感」並且「無痛、讓你完全感受不到它的存在」。不不不,別誤會,今天的話題不是限制級,我們要聊的是每位糖尿病患者指尖上的痛-測量血糖。
對於普通人來說,一口麵包可能不代表什麼,但在糖尿病患者的眼裡,麵包什麼的,可是最討厭了啊!對他們來說,每口食物都可能會讓血糖飆高,而高濃度的血糖會引發中風、失明或性功能障礙等,因此每次用餐後,都得要扎破手指測量血糖,不僅是每天必作,更是終生都得如此。

雖然早在古埃及時就發現了糖尿病,但千年來的發展,仍需要鮮血才能夠測量血糖濃度,不僅惱人而且疼痛。那如果不用血,人體上還有什麼體液可供測量呢?

感動落淚-用淚水寫下的科學發展史

古老的年代裡,電化學(electrochemistry)的科學家們就找到了方程式和糖氧化酶(glucose oxidase, GOD),(glucose oxidase, GOD),能夠分析糖的含量,而光是有方程式是不夠的,由於酵素容易被稀釋,迫使科學家只能用巨大的儀器取得數據。直到1995年,由東京大學(University of Tokyo)的Mitsubayashi學者等人將酵素固定化 ,解決了酵素稀釋的關卡,使研究朝著正確的方向邁出了第一步。

而接續的難關是生理上的限制,淚水的血糖濃度遠比血液低。因此2003年南京大學(Nanjing University)的Jiuhong Yu學者利用二氧化鈦(TiO2)水膠將酵素包裹於內 ,將反應的空間,從平面轉化為立體,大幅度地提高反應面積。且因為水膠的通透性極佳,其中的氫鍵又能固定住酵素,因此靈敏度也提升了許多。

2011年,在西雅圖的華盛頓大學(University of Washington),由Huanfen Yao學者組成的團隊,成功的直接在隱形眼鏡上繪製電極圖,他們集結了上述的研究成果,發表了以電化學原理來量測血糖濃度的隱型眼鏡。該團隊利用光阻材料(photoresist)在直徑不到1公分的鏡片上繪製金屬電極(Ti鈦/Pd鈀/Pt鉑),再將裹有酵素的水膠滴於電極板上,於是一支能感應血糖濃度發出電子訊號的隱型眼鏡就完成了。

數據的輸出-瞳孔變色片還是無線傳輸?

馬拉松最疲憊的就是最後一哩路,而量測血糖的隱形眼鏡最後一道關卡,怎麼樣才能將數據輸出呢?

時間拉回2003年,當電化學的科學家仍身陷泥沼,鑽研螢光化學的學者已經有了重大的進展了。馬里蘭大學(University of Maryland School of Medicine)的Ramachandram Badugu團隊發表的隱形眼鏡中 ,帶有特殊的螢光物質,使隱形眼鏡能夠感應血糖,進而發出藍色的螢光(450 nm)。但也許是線性範圍不足,研究漸漸地停滯,反倒是電化學的科學家解決了傳輸的問題。

上述的華盛頓大學團隊,在2011年突破電極縮小化的關卡後,更在隔年解決了訊號輸出的問題,由Yu-Te Liao學者(廖育德,現任中正大學電機工程學系 教授)所主導設計,利用出了僅僅0.6mm × 0.6mm大小的晶片,使用無線傳輸的技術,將血糖濃度的數值傳給外界的接收器,不僅無須外接電源。組成後的成品更相當精巧,鏡片的直徑小於1公分 。

一「眼」看穿未來的疾病

2014年1月17日,由google公布的智慧型隱形眼鏡-Google Smart Contact Lens,背後的技術就是源自於華盛頓大學的Huanfen Yao和Yu-Te Liao等人的研究。同年,瑞士藥廠Novartis(諾華),更宣布旗下的眼科品牌Alcon(愛爾康)獲得Google的授權,將以Smart Contact Lens的技術研究糖尿病、老花眼等疾病。醫療大廠諾華和Google的合作,代表著傳統醫療照護將有重大的革新,藉由微型化電子的技術,未來檢測疾病將可被一「眼」看穿,再也不用讓患者們經歷充滿血與淚的抽血打針了。

註:各種體液內的糖濃度
種類 糖濃度範圍
血液 2-30 mM
尿液 2.78-5.5 mM
唾液 0.008-0.21 mM
汗水 0.277-1.11 mM
淚水 0.1-0.6 mM
(本文由科技部補助「新媒體科普傳播實作計畫-智慧生活與前沿科技科普知識教育推廣」執行團隊撰稿)

責任編輯:鄭國威
審校:陳妤寧
 

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