葡萄糖傳感器是糖尿病人監(jiān)控血糖濃度的必備工具?；谌嵝曰组_發(fā)可用于血糖濃度實時監(jiān)測的柔性葡萄糖傳感器是近年來研究的熱點，也是未來應(yīng)用發(fā)展的重要方向。蠶絲具有優(yōu)異的力學(xué)性能、生物相容性及生物可降解性，以蠶絲及蠶絲蛋白與導(dǎo)電活性物質(zhì)復(fù)合開發(fā)的柔性葡萄糖傳感器展現(xiàn)出優(yōu)異的傳感性能及出色的長期穩(wěn)定性。

據(jù)麥姆斯咨詢報道，近期，來自西南大學(xué)和蘇州大學(xué)的研究人員于《絲綢》期刊共同發(fā)表了題為“蠶絲基葡萄糖傳感器研究進展”的綜述性文章，總結(jié)了基于蠶絲纖維、蠶絲絲織物以及絲蛋白等開發(fā)的柔性葡萄糖傳感器的研究進展，對比了所開發(fā)的蠶絲基柔性葡萄糖傳感器的傳感性能及作用機制，并對蠶絲基柔性葡萄糖傳感器在柔性可穿戴傳感器領(lǐng)域的發(fā)展前景進行了展望。

基于蠶絲纖維、蠶絲絲織物的葡萄糖傳感器

天然蠶絲不具導(dǎo)電性，對不同外界刺激的敏感性、響應(yīng)性和對溫濕度的自適應(yīng)較弱。為構(gòu)建蠶絲傳感器，需要通過表面涂層或自身碳化處理兩種方式制備成導(dǎo)電復(fù)合物，再通過負載酶或其他葡萄糖敏感材料，如金屬及其氧化物等，制備成葡萄糖傳感器。

通過在蠶絲織物表面進行涂層或印刷導(dǎo)電活性物質(zhì)可以獲得手感好、耐用性高、導(dǎo)電性能佳的傳感元件，再通過電化學(xué)沉積等方法負載葡萄糖響應(yīng)材料可開發(fā)出柔性葡萄糖傳感器。Cai等利用三元溶劑對蠶絲織物進行前處理，再將其浸漬于聚苯胺或還原氧化石墨烯分散液中，通過多次循環(huán)干燥復(fù)合，制備出具有超高電容保留率的多功能柔性蠶絲織物電極（圖1(a)）。在此基礎(chǔ)上，再通過電化學(xué)沉積銅納米粒子制備成非酶葡萄糖傳感器，其靈敏度可達199.8 μA/mM（圖1(b)）。

圖1 基于蠶絲纖維、織物開發(fā)的葡萄糖傳感器

高溫碳化絲織物可使其熱分解轉(zhuǎn)化為碳材料，從而賦予其良好的導(dǎo)電性能，再通過負載葡萄糖敏感元件可開發(fā)出具有高靈敏度的葡萄糖傳感器。He等利用不同碳化溫度下得到的蠶絲織物作為工作電極和對電極，負載葡萄糖氧化酶（GOD）后制備成葡萄糖傳感器貼片，用于實時和多路汗液中的葡萄糖監(jiān)測分析，其靈敏度為6.3 μA/mM，檢測下限低至5 μM（圖1(c)）。

基于絲素蛋白的葡萄糖傳感器

蠶絲主要由絲素蛋白（SF）和絲膠蛋白（SS）組成，其中絲素蛋白約占蠶絲質(zhì)量的70%～80%。絲素蛋白含有大量活性基團，易與葡萄糖氧化酶結(jié)合，因此，可以用于固定及負載葡萄糖氧化酶。此外，基于SF極易制備出纖維、膜、水凝膠等不同結(jié)構(gòu)的材料，可開發(fā)出具有不同形態(tài)和功能的葡萄糖傳感器，如圖2所示。

圖2 基于絲素蛋白（SF）開發(fā)葡萄糖傳感器

Liu等通過將絲素孵育得到絲素納米纖維（SFNFs），由于SFNFs具有更高結(jié)晶度，在納米纖維表面有大量殘基，因此，其具有更好的穩(wěn)定性和更多的結(jié)合位點，有助于提高酶的固定效率。通過戊二醛將酶與SFNFs交聯(lián)形成多孔酶膜，再將其與納米鉑/石墨烯膜嵌合，制備成葡萄糖傳感器（圖2(a)）。由于納米鉑/石墨烯復(fù)合膜表面的羥基和羧基能牢牢地與酶結(jié)合，所產(chǎn)生的多孔酶膜能提供更大的比表面積用于與反應(yīng)物葡萄糖相互作用，該傳感器在2 μM ~ 1 mM范圍內(nèi)對葡萄糖具有良好的線性關(guān)系，靈敏度為31.02 μA/mM，且具有良好的循環(huán)重復(fù)性和長期穩(wěn)定性（25 h）。

Lu等研究了包括GOD在內(nèi)的三種具有不同物理和化學(xué)性質(zhì)的酶在水溶性和不溶性絲素蛋白膜中的長期穩(wěn)定性，并分別從絲素結(jié)構(gòu)的變化、膜中酶的空間分布及酶的變性/復(fù)性等方面探討這些體系中酶穩(wěn)定性的機理（圖2(b)）。結(jié)果表明，絲素能在長達10個月的保存時間中保留75%的酶活性，且酶滲漏率僅為0.05%。這是由于絲素蛋白的結(jié)晶結(jié)構(gòu)、豐富的氫鍵交聯(lián)網(wǎng)絡(luò)及絲素蛋白鏈與酶分子之間的疏水作用，可限制GOD鏈的流動性，從而提高酶的穩(wěn)定性。研究表明，再生絲素蛋白是GOD的良好載體，是制備酶基葡萄糖傳感器的優(yōu)異材料。

Marquez等通過將酶直接溶解在SF的水溶液中，干燥結(jié)晶成膜后直接用于葡萄糖的傳感測試。結(jié)果表明，負載GOD的SF膜具備過濾血細胞的能力，通過SF基質(zhì)與酶反應(yīng)產(chǎn)生的分子反應(yīng)可將葡萄糖測定的靈敏度提高2.5倍（圖2(c)）。

Zhao等通過將SF/D-山梨醇復(fù)合材料和鉑、銀絲結(jié)合，再將GOD固定在微針集成鉑絲中，制備成新型微針葡萄糖生物傳感器系統(tǒng)，用于血糖的微創(chuàng)連續(xù)監(jiān)測（圖2(d)）。結(jié)果表明，GOD被固定在絲素/D-山梨醇基質(zhì)中，表現(xiàn)出更好的穩(wěn)定性，制備的傳感器具有低糖濃度下響應(yīng)快、生理條件下易于讀數(shù)等優(yōu)點。

綜上所述，由于其出色的性能，蠶絲可應(yīng)用于柔性葡萄糖傳感器的研究，所開發(fā)制備的葡萄糖傳感器展現(xiàn)出良好的傳感性能。但同時，葡萄糖氧化酶的固定率和穩(wěn)定性不高、蠶絲與導(dǎo)電材料復(fù)合后的牢度差、絲素蛋白膜力學(xué)性能不佳等問題也直接影響到蠶絲基葡萄糖傳感器的綜合性能，還有待進一步解決。此外，蠶絲基葡萄糖傳感器的成本及維護也是應(yīng)用發(fā)展前不容忽視的因素。目前對于蠶絲基葡萄糖傳感器的開發(fā)主要集中在對蠶絲蛋白膜和碳化蠶絲織物的研究上，對于以蠶絲纖維、織物本身為基底的研究還較少。通過養(yǎng)蠶添食法及紡絲技術(shù)制備的功能化蠶絲，也可以應(yīng)用到蠶絲基葡萄糖傳感器的研究，這些都可能是未來蠶絲基葡萄糖傳感器研究的重要方向。總之，盡管蠶絲基葡萄糖傳感器的開發(fā)研究還處于起步階段，但其應(yīng)用前景不容忽視，未來發(fā)展值得期待。

審核編輯：劉清