陽明交大研發蜘蛛絲光纖糖度感測器,可做為新一代糖尿病管理利器

01 生醫工程學系劉承揚教授團隊開發出來的「蜘蛛絲光纖糖度感測器」
生醫工程學系劉承揚教授團隊開發出來的「蜘蛛絲光纖糖度感測器」

蜘蛛在文學或影視作品中經常扮演反派角色,尤其是手掌大小的人面蜘蛛(Nephila pilipes)更是令人畏懼。但是當有一天蜘蛛絲也可以測量血糖,作為糖尿病管理工具的時候,蜘蛛或許就不那麼反派了。

陽明交大生物醫學工程學系劉承揚教授及鄂暄蓓碩士,成功利用人面蜘蛛吐出的蜘蛛絲,開發出一款光纖糖度感測器,能夠在萬分之一秒(0.1 ms)內有效量測果糖、蔗糖與葡萄糖濃度,且量測範圍已包含人體血液中所有可能的糖濃度,將可做為下一世代的血糖偵測利器。

隨著人口老化,糖尿病是目前常見疾病。患者自行在家穿刺監測血糖,不僅容易有感染風險,而且穿刺針頭使用一次後就成為醫療廢棄物,因此科學家無不致力於研發更方便、即時的血糖偵測方式。

02 蜘蛛絲的來源:人面蜘蛛
蜘蛛絲的來源:人面蜘蛛

有別於傳統利用玻璃或塑膠材料製作的光纖,蜘蛛絲不僅有良好的延展性、光波傳輸等物理性質,而且還有高度的生物相容性,相當適合用於人體。劉承揚教授研發團隊與台北醫學大學及國研院台灣儀器科技研究中心合作,從活蜘蛛取得天然的蜘蛛絲後,先是利用光固化樹脂穩定蜘蛛絲的結構,再用斜向薄膜濺鍍技術,在固化的蜘蛛絲表面濺鍍一層薄薄的奈米金薄殼,以增加蜘蛛絲光纖對糖濃度的靈敏度,最後做成了一根直徑約略為頭髮、肉眼可視的光纖感測器。

透過「表面電漿子共振」(surface plasmon resonance, SPR)的光學物理原理,科學家可以計算出不同糖類在金屬上的折射率,藉以得知其濃度變化。劉承揚教授研發的這款光纖感測器,經實驗證實其感測功能在一年內都能保持相同靈敏度,且在室溫與人體溫度下都能正常運作。

03 電子顯微鏡下經金屬電鍍處理的蜘蛛絲光纖
電子顯微鏡下經金屬電鍍處理的蜘蛛絲光纖

事實上,為了找尋適合的材料,研發團隊嘗試過2到3種不同品種的蜘蛛,也在校內自行捕捉蜘蛛來做實驗,可惜蜘蛛絲品質都不甚穩定,經過多方嘗試才選定人面蜘蛛為主要取絲對象。為了取出高品質的蜘蛛絲,研發團隊還必須學習如何飼養蜘蛛、設計取絲方法等。

鄂暄蓓表示,人面蜘蛛不僅巨大,一開始團隊人員也很害怕背上有長臉的蜘蛛。取絲過程中,蜘蛛不受控制亂跑,也讓研究團隊夥伴們驚叫連連。研發團隊在製作蜘蛛絲光纖的過程中,也嘗試多種樹脂、金銀銅等金屬,因此認識了爬蟲店老闆、樹脂廠商等,算是意外收穫。

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蜘蛛絲光纖製作過程

劉承揚教授說,糖尿病患者需要餐前餐後監測血糖,一款可以長期適用於人體內,且即時精準測量血糖的感測器,不僅解決病患的難題,也能達到精準醫學的目標,造福更多的慢性病患者。

這項研究成果除了陽明交大外,也包含國研院台灣儀器科技研究中心陳維鈞研究員、陳哲勤研究員以及北醫醫學系鄭嘉雄教授的參與。研究成果將刊登於今年9月的《Biomedical Optics Express》,並獲選為該刊物的編輯精選。

05 醫工系劉承揚教授(左一)、鄂暄蓓碩士(右一)及團隊成員
醫工系劉承揚教授(左一)、鄂暄蓓碩士(右一)及團隊成員