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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

文/蔣維倫

「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。

測血糖對許多患者來講是個夢魘。圖/科學大爆炸EP.27 - 便當這樣吃就不用怕胖

測血糖對許多患者來講是個夢魘。圖/科學大爆炸EP.27 – 便當這樣吃就不用怕胖

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),能夠分析糖的含量

公式

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 [1],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 [2]。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 [3],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 [4]。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 [5],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 [6]。

以隱形眼鏡偵測健康狀態的裝置概念圖。圖/Yu-Te Liao

以隱形眼鏡偵測健康狀態的裝置概念圖。圖/Yu-Te Liao

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。

Hand holding - zoomed in

Google研發的智慧型隱形眼鏡。圖/Google官方部落格

註:各種體液內的糖濃度 [6]

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

參考文獻

  1. Mitsubayashi, K.; Dicks, J.M.; Yokoyama, K.; Takeuchi, T.; Tamiya, E.; Karube, I. (1995) A flexible biosensor for glucose. Electroanalysis 7, 83-87
  2. Prashanth Makaram, Dawn Owens and Juan Aceros (2014) Trends in Nanomaterial-Based Non-Invasive Diabetes Sensing Technologies. Diagnostics, 4, 27-46
  3. Jiuhong Yu, Songqin Liu, Huangxian Ju (2003) Glucose sensor for flow injection analysis of serum glucose based on immobilization of glucose oxidase in titania sol–gel membrane. Biosensors and Bioelectronics, 19(4), 401-409
  4. Huanfen Yao, Angela J. Shum, Melissa Cowan, Ilkka Lähdesmäki, Babak A. Parviz (2011) A contact lens with embedded sensor for monitoring tear glucose level. Biosensors and Bioelectronics 26, 3290-3296
  5. Ramachandram Badugu, Joseph R. Lakowicz, and Chris D. Geddes (2003) A Glucose Sensing Contact Lens: A Non-Invasive Technique for Continuous Physiological Glucose Monitoring. Journal of Fluorescence, 13(5), 371-374
  6. Yu-Te Liao, Member, IEEE, Huanfen Yao, Andrew Lingley, Babak Parviz (2012) A 3-μW CMOS Glucose Sensor for Wireless Contact-Lens Tear Glucose Monitoring. IEEE Journal of Solid-State Circuits, 47(1), 335-344

 

(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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