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连续血糖监测对糖尿病的诊断和治疗具有重要意义。目前临床中使用的是基于静脉采血和指尖采血的血糖检测方法，这些方法对人体有创伤且不能连续监测。有创的检测很不方便，非连续监测则易丢失重要的血糖变化信息。因此，无创连续血糖监测技术(主要是基于光学的监测技术)具有很大前景，近年来引起了许多研究人员的关注。不幸的是，由于人体组织的复杂性，这些无创监测技术在全世界范围内仍处于初级研究阶段，检测精度很低，且测量结果不可靠。另一方面，细胞间质液中的葡萄糖浓度与血液中的葡萄糖浓度密切相关，因此，基于细胞间质液中葡萄糖浓度检测的微创血糖监测技术近年来受到了许多研究人员的关注。根据检测方式不同，微创血糖监测技术可分为两类：透皮抽取式和皮下植入式。对于皮下植入式方法，微创手术是常需的，且体内环境显著地影响传感器的测量精度。因此，我认为能够在体外进行检测进而避免植入式方法缺点的透皮抽取式监测技术更适合实际应用。
透皮抽取式的连续血糖监测技术主要有两个核心：一是细胞间质液的抽取，二是葡萄糖的测量。现有的细胞间质液抽取方法，按照抽取力的性质来划分，主要分为负压抽取、毛细力抽取和电场力抽取。基于负压的抽取通常是利用超声或者热消融等方式预处理皮肤后再利用负压进行抽取，优点在于细胞间质液抽取量大，缺点在于个体差异大、抽取量波动大且需外接专业设备。基于毛细力的抽取通常是利用中空微针刺入皮肤进行抽取，优点是不需要预处理且可集成传感器直接测量，缺点在于中空微针易损坏、加工相对困难且成本较高。基于电场力的抽取，主要是反离子电渗法，其通过正负电极间的离子流进行抽取，优点是适用于可穿戴电子器件、且易集成传感器实现直接测量，但是，在该方法中，长时间的电刺激容易导致皮肤过敏，且由于抽取的细胞间质液的量非常少，受温度、湿度、汗液等影响大。根据检测原理划分，现有微型化葡萄糖传感器主要分为电化学、光学和电学传感器。电化学葡萄糖传感器是通过氧化还原反应，以电流/电位的大小来反映葡萄糖浓度，具有原理经典、结构简单、易小型化、精度高、成本低的特点。光学葡萄糖传感器(这里主要指光纤型)通过检测吸附葡萄糖分子导致的荧光光强/折射率变化程度来获得葡萄糖浓度，优点是传感器体积小，但受环境温度影响大，且需要光源、光谱仪等，检测系统复杂。电学葡萄糖传感器通过吸附葡萄糖分子导致阻抗/容抗特性发生变化，从而实现测量，优点是传感器体积小、灵敏度高，但响应时间长且成本较高。
本文拟设计一款“纹身式”的可穿戴电子器件来实现细胞间质液的抽取和葡萄糖测量。考虑到反离子电渗法创伤相对更小、易于实现，且相应器件易于小型化，有利于实现可穿戴式连续血糖监测，本文选择利用反离子电渗法来实现细胞间质液的透皮抽取。考虑到电化学传感器灵敏度高、易小型化的有点，本文选择电化学葡萄糖传感器来检测抽取出的细胞间质液中的葡萄糖浓度。然而在连续血糖监测中，低血糖测量一直是个难题；在可穿戴传感系统中，测不准是一个需要解决的难题，于是要实现可穿戴式的低血糖测量就是一个矛盾。根据以上分析，要解决这个矛盾需要解决如下三个问题：(1)如何实现低皮肤刺激下的细胞间质液抽取；(2)如何实现对低浓度葡萄糖的高精度检测；(3)如何消除个体差异和自然出汗对测量结果的影响。
针对以上问题，本文提出了一种基于柔性表皮生物微流体的连续血糖监测技术来克服反向离子电渗法的不足，实现连续血糖监测，以满足糖尿病的临床诊断需求。设计、加工和测试了一种集成的柔性表皮生物微流体器件。该柔性表皮生物微流体器件包括：一个利用反离子电渗法通过皮肤的离子传输微通道透皮抽取细胞间质液的抽取电极对，一个用于提升细胞间质液抽取速率的表皮温度控制部件，一个用于原位检测抽取出的细胞间质液中葡萄糖浓度的柔性表皮电化学传感器和一个用于校准葡萄糖测量结果的差分钠离子传感器。该器件通过喷墨打印直写式技术直接加工而成。所设计、加工的器件具有连续血糖监测能力，具有满足糖尿病临床诊断的应用潜力。论文具体工作如下：
1.简要介绍了血糖监测方法和意义，分析总结了当前连续血糖监测方法研究现状以及每种方法存在的问题和挑战。然后根据本文研究的“纹身式”可穿戴连续血糖监测器件的两个关键技术，分析了目前透皮抽取细胞间质液的主要方法及优缺点，分析了当前主要的微型葡萄糖传感器的原理及优缺点，并对当前迅速发展的柔性表皮电子技术进行了简要介绍。根据以上分析确定了本文中所选用的细胞间质液抽取方法—反离子电渗法和葡萄糖传感方法—柔性表皮电化学传感，然后分析总结了要实现基于反离子电渗法的连续血糖监测技术需要解决的三大问题。并根据目前的技术和需要解决的问题，提出了一种基于柔性表皮生物微流体的连续血糖监测技术，以满足糖尿病患者的临床诊断需求。
2.介绍了一种基于表皮生物微流体技术透皮抽取细胞间质液的方法(反离子电渗法)。当给相邻区域的皮肤施加不同电势时，两个区域会经由皮肤和皮下组织形成电场，在电场力作用下，细胞间质液中的正负离子会向两极定向移动，形成离子流，该离子流通过汗腺和毛孔可以渗透出皮肤，从而在皮肤表层形成自阳极到阴极的离子传输表皮生物微流体通道，带有葡萄糖分子的细胞间质液即经由皮肤的离子传输微通道被抽取出来，而皮肤的阳离子选择透过性使得该离子流以钠离子为主要载体。根据此原理，本文中设计了柔性表皮抽取电极来实现基于反离子电渗法的细胞间质液透皮抽取，如此使抽取电极和皮肤一起构成了柔性表皮微流体系统。柔性表皮电极可以紧密地贴附在皮肤表面，随皮肤的运动而变形，能避免由于相对运动使电极与皮肤脱离而导致的抽取不连续，提升细胞间质液的透皮抽取效果。同时本文利用具有良好生物兼容性的Nafion膜来覆盖电极金属结构，降低金属接触对皮肤的灼烧。而且Nafion薄膜具有很好的阳离子交换作用，用其覆盖抽取电极表面，能够促进抽取电极和皮肤的电接触，从而促进细胞间质液的抽取。本文利用搭建的四通道喷墨打印系统在柔性聚酰亚胺薄膜基底上加工了设计的细胞间质液抽取电极。该系统包括一个气泵作为系统的气压源(正负压均有)；一个四路气压精密控制模块以清洗喷墨打印头并使喷墨打印过程中的气压保持恒定；一个三维位移台以固定目标打印物并使其按设计进行移动从而实现图形化加工；四个喷墨打印头以同时实现多种材料的喷印；一个电驱动模块根据打印信号驱动喷墨打印头工作；一个观察模块，包含一个带有频闪的水平相机以实时观察喷墨状态，一个竖直相机以校正打印起始点位置；一个计算机以实现打印图形设计和信号收发。该系统的工作频率为1-20kHz，重复定位精度为5μm，能实现多种功能材料的喷墨。该系统可实现无掩模、按需、低温和直写式微加工，可满足柔性电子器件的加工需求。在本文中，利用该系统加工电极之前，先对柔性聚酰亚胺薄膜基底进行了表面预处理以使得其更加亲水，亲水的表面有利于喷印液滴的扩散，避免了因相邻液滴黏连而导致的不连续，提升了电极打印质量。
3.为克服基于反离子电渗法抽取细胞间质液的挑战(如何实现低皮肤刺激下的细胞间质液抽取)，根据对细胞间质液透皮抽取机理的分析，提出了一种热激发方法，通过局部加热提升皮肤的通透性，从而促进细胞间质液的透皮抽取效率，以实现低电流密度下的细胞间质液抽取。为验证所提出的热激发方法对细胞间质液透皮抽取的促进作用，进行了皮肤阻抗检测实验和细胞间质液抽取实验。首先，利用三电极法无创的测量了在室温下(25℃)和加热条件下(37℃)皮肤法相阻抗随时间的变化情况，实验结果表明，在加热条件下，皮肤的法相阻抗会降低，即皮肤的通透性会增强，此结果说明证实了所提出的热激发方法能增强人体皮肤的通透性。其次，为获得所提出的热激发方法对细胞间质液抽取效率的具体增强效果，利用恒流源抽取了细胞间质液，并利用钠离子计测量抽取出的钠离子的量，以此来反应不同电流密度下、不同抽取时间下细胞间质液的抽取效率。实验结果表明，热激发条件下细胞间质液的抽取效率显著提高，且以电流密度150μA/cm2抽取3分钟即可满足葡萄糖测量要求，且根据受试者的感觉，在150μA/cm2的抽取电流密度下，即使连续抽取超4小时也没有明显的酥麻感。以上结果说明，通过所提出的热激发方法可实现低皮肤刺激下的细胞间质液抽取。为实现可穿戴式的皮肤热激发，本文设计并加工了柔性表皮温控部件。设计了具有阿基米德螺旋结构的金电热丝，以实现均匀加热，同时设计了具有阿基米德螺旋结构的金电阻丝作为温度传感器，并将其嵌入金加热丝螺旋结构内部以准确获取温度变化信息，电热丝和温度传感器均是以喷墨打印加工而成的。另一方面，设计并加工了一个柔性的比例积分微分控制电路，以实现热激发以及37℃的温度保持。根据仿真，热平衡时加热区温差小于0.3℃。并做了温度控制实验，实验结果表明，在利用设计加工的温度控制部件控温时，温度波动小于0.1℃。该温度控制部件能热激发皮肤，实现了低皮肤刺激下的细胞间质液抽取，缩短了单次测量时间，更有利于连续测量。同时，该部件可将检测器件的温度保持在37℃，有助于电化学检测，避免了温度补偿，并使葡萄糖氧化酶更具活性。
4.为实现对低浓度葡萄糖的高精度检测，设计将柔性表皮电化学葡萄糖传感器与细胞间质液抽取阴极集成，以实现原位监测；同时基于喷墨打印，在原位测量的柔性传感器工作电极表面定点、可控的修饰了石墨烯/铂纳米颗粒三维纳米复合结构，拓宽了传感器的检测限、提高了传感器的灵敏度。基于“纹身式”设计需求，本文设计了柔性电化学葡萄糖传感器，柔性特质使其能与皮肤紧密贴合，随皮肤的变形而变形，能避免由于人体运动而导致的皮肤与传感器相对位移，提升葡萄糖测量结果的准确性；另一方面，将传感器和细胞间质液抽取阴极集成在一起，将细胞间液抽取阴极作为葡萄糖传感器的对电极/参比电极，通过原位测量以避免由于输运产生液体流失而导致的测量结果不准确。考虑到石墨烯(特别是石墨烯碎片)和铂纳米颗粒都具有大的表面积/体积比，具有很多电化学活性位点，且有很强的导电特性，能够极大的提升传感器的有效工作电极面积和电极表面的电子迁移率，同时石墨烯和铂纳米颗粒都具有良好的生物兼容性，有利于保持固定在其上的葡萄糖氧化酶的活性和稳定性，本文基于喷墨打印工艺在葡萄糖传感器工作电极表面定点、可控地修饰了石墨烯/铂纳米颗粒三维纳米复合结构，同时以喷墨打印将普鲁士蓝打印在了此三维纳米复合结构上，从而有效的提升了电化学传感器对于葡萄糖分子的测量灵敏度。利用喷墨打印来修饰以上纳米结构的原因在于柔性表皮电化学葡萄糖传感器工作电极的面积很小，在微小面积的电极表面进行纳米材料的修饰十分困难，而其他不需要修饰的电极在修饰过程中还需要保护，这进一步增加了操作的困难程度，而喷墨打印能直接定点、可控且无需掩膜保护地将以上纳米材料直接修饰到传感器工作电极表面。传感器测试结果表明，相对于未经修饰的传感器，经过石墨烯/铂纳米颗粒/普鲁士蓝修饰后，传感器灵敏度提升了近11倍。传感器对葡萄糖的测试结果表明，能实现在0-400mg/dL范围内的线性检测，且在低浓度范围内也有较高的精度，测量分辨率为0.52mg/dL，这说明修饰了石墨烯/铂纳米颗粒三维纳米复合结构的葡萄糖传感器具有在生理范围内准确检测葡萄糖浓度的能力，且能实现对低浓度葡萄糖的高精度检测。
5.为消除个体差异和自然出汗对葡萄糖测量结果的影响，建立了差分钠离子校正模型，并设计和制造了柔性差分钠离子传感器。由于个体的差异，不同人不同位置的皮肤状况都不一样，使得在相同条件下抽取出的细胞间质液的量也不一样，这会导致测量获得的浓度值与实际值有较大偏差。另一方面，由于细胞间质液中钠离子浓度相对稳定，反离子电渗法中葡萄糖分子是通过钠离子运载出来的，且钠离子和葡萄糖分子抽取速率的比值与皮下细胞间质液中钠离子和葡萄糖的浓度比值正相关，于是本文通过监测钠离子的抽取量从而校正葡萄糖测量结果，以消除个体差异以及皮肤通透性随时间变化而导致的细胞间质液抽取量波动带来的测量误差。本文建立了校正模型，该模型利用增量数据处理和钠离子量消除了个体差异和皮肤通透性随时间变化对测量结果的影响，且通过首次测量单点校正，可直接预测血糖浓度，从而能实现连续血糖预测。另一方面，自然出汗会影响钠离子测量结果，从而影响最终的葡萄糖校正预测结果，必须予以消除，本文利用对抽取电极正负极的钠离子进行差分测量来消除自然出汗的影响。基于以上分析和模型，本文设计和加工了柔性差分钠离子传感器，并将该传感器与葡萄糖传感器、细胞间质液抽取电极集成以实现原位的差分钠离子检测。经实验测试，该钠离子传感器有较好的线性。本文利用猪皮模拟实验实现了类细胞间质液的透皮抽取、葡萄糖原位检测和钠离子原位检测，实验结果表明，经模型校正后的葡萄糖预测准确度明显高于未经校正的结果，证实了通过钠离子校正消除个体差异和皮肤通透性随时间变化的有效性。
6.集成了上述各个功能部件，并通过口服葡萄糖耐量实验证实了本文所提出的基于柔性表皮生物微流体的连续血糖监测技术的可行性。该集成器件主要包含两个贴片：一个是集成了细胞间质液抽取电极、葡萄糖传感器和差分钠离子传感器的柔性葡萄糖监测贴片；一个是柔性温控贴片。在实际应用过程中，柔性葡萄糖监测贴片直接贴于人体皮肤表面，柔性温控贴片则直接贴于柔性葡萄糖监测贴片背部以实现温控。整个器件的工作过程为：柔性温控部件对皮肤进行局部加热至37℃并保持，经过7分钟的皮肤热激发后，葡萄糖监测贴片开始工作，首先以150μA/cm2的电流密度恒流抽取细胞间质液3分钟，接着以葡萄糖传感器测量葡萄糖浓度、差分钠离子传感器测量抽取阴极和抽取阳极的钠离子浓度，再循环抽取和测量过程，实现连续监测。其中前两次的测量结果的差值需要与指尖釆血值进行校准，获得校正系数。实验结果表明，经过差分钠离子模型校正后的血糖预测结果和指尖釆血测量获得的血糖浓度一致性较好，在Clarke误差分析中，差分校正后的所有预测值都落在A区域(临床精度区)和B区域(临床可接受区)(A占61.54％、B占38.46％)，这表明本文所提出的表皮生物微流体连续血糖监测器件可以较为准确地预测生理范围内的血糖浓度，证实了所提出的基于柔性表皮生物微流体的连续血糖监测技术的可行性。实验分析结果还表明，没有经钠离子模型校正的血糖预测值落在A区域、B区域和E区域(误诊值区)，其中A占33.85％、B占61.54％、E占4.61％；而当仅以抽取阴极钠离子测量值来校正血糖预测结果时，预测值则落在A区域、B区域、C区域(过校正区)和E区域，其中A占42.19％、B占40.62％、C占9.38％、E占7.81％。以上结果证实了差分钠离子校正对于消除个体差异和自然出汗对预测结果的影响是必要的。在以上工作中，本文的创新之处在于：
1)提出了一种基于热激发提升细胞间质液抽取效率的方法，缩短了单次测量时间，更加有利于连续监测，同时实现了低电流密度下的细胞间质液抽取，降低了抽取过程对皮肤的刺激。
2)提出了一种通过喷墨打印微制造技术，在原位测量的柔性电化学葡萄糖传感器工作电极表面定点、可控修饰石墨烯/铂纳米颗粒三维纳米复合结构的方法，提高了传感器的灵敏度，实现了低浓度葡萄糖的高精度检测。
3)提出了一种通过柔性表皮差分钠离子传感器校正血糖测量结果的方法，通过钠离子测量补偿了细胞间质液抽取量波动对测量结果的影响，通过差分测量补偿了自然流汗对测量结果的影响，解决了个体差异问题，提升了血糖预测准确度。
透皮抽取式的连续血糖监测技术主要有两个核心：一是细胞间质液的抽取，二是葡萄糖的测量。现有的细胞间质液抽取方法，按照抽取力的性质来划分，主要分为负压抽取、毛细力抽取和电场力抽取。基于负压的抽取通常是利用超声或者热消融等方式预处理皮肤后再利用负压进行抽取，优点在于细胞间质液抽取量大，缺点在于个体差异大、抽取量波动大且需外接专业设备。基于毛细力的抽取通常是利用中空微针刺入皮肤进行抽取，优点是不需要预处理且可集成传感器直接测量，缺点在于中空微针易损坏、加工相对困难且成本较高。基于电场力的抽取，主要是反离子电渗法，其通过正负电极间的离子流进行抽取，优点是适用于可穿戴电子器件、且易集成传感器实现直接测量，但是，在该方法中，长时间的电刺激容易导致皮肤过敏，且由于抽取的细胞间质液的量非常少，受温度、湿度、汗液等影响大。根据检测原理划分，现有微型化葡萄糖传感器主要分为电化学、光学和电学传感器。电化学葡萄糖传感器是通过氧化还原反应，以电流/电位的大小来反映葡萄糖浓度，具有原理经典、结构简单、易小型化、精度高、成本低的特点。光学葡萄糖传感器(这里主要指光纤型)通过检测吸附葡萄糖分子导致的荧光光强/折射率变化程度来获得葡萄糖浓度，优点是传感器体积小，但受环境温度影响大，且需要光源、光谱仪等，检测系统复杂。电学葡萄糖传感器通过吸附葡萄糖分子导致阻抗/容抗特性发生变化，从而实现测量，优点是传感器体积小、灵敏度高，但响应时间长且成本较高。
本文拟设计一款“纹身式”的可穿戴电子器件来实现细胞间质液的抽取和葡萄糖测量。考虑到反离子电渗法创伤相对更小、易于实现，且相应器件易于小型化，有利于实现可穿戴式连续血糖监测，本文选择利用反离子电渗法来实现细胞间质液的透皮抽取。考虑到电化学传感器灵敏度高、易小型化的有点，本文选择电化学葡萄糖传感器来检测抽取出的细胞间质液中的葡萄糖浓度。然而在连续血糖监测中，低血糖测量一直是个难题；在可穿戴传感系统中，测不准是一个需要解决的难题，于是要实现可穿戴式的低血糖测量就是一个矛盾。根据以上分析，要解决这个矛盾需要解决如下三个问题：(1)如何实现低皮肤刺激下的细胞间质液抽取；(2)如何实现对低浓度葡萄糖的高精度检测；(3)如何消除个体差异和自然出汗对测量结果的影响。
针对以上问题，本文提出了一种基于柔性表皮生物微流体的连续血糖监测技术来克服反向离子电渗法的不足，实现连续血糖监测，以满足糖尿病的临床诊断需求。设计、加工和测试了一种集成的柔性表皮生物微流体器件。该柔性表皮生物微流体器件包括：一个利用反离子电渗法通过皮肤的离子传输微通道透皮抽取细胞间质液的抽取电极对，一个用于提升细胞间质液抽取速率的表皮温度控制部件，一个用于原位检测抽取出的细胞间质液中葡萄糖浓度的柔性表皮电化学传感器和一个用于校准葡萄糖测量结果的差分钠离子传感器。该器件通过喷墨打印直写式技术直接加工而成。所设计、加工的器件具有连续血糖监测能力，具有满足糖尿病临床诊断的应用潜力。论文具体工作如下：
1.简要介绍了血糖监测方法和意义，分析总结了当前连续血糖监测方法研究现状以及每种方法存在的问题和挑战。然后根据本文研究的“纹身式”可穿戴连续血糖监测器件的两个关键技术，分析了目前透皮抽取细胞间质液的主要方法及优缺点，分析了当前主要的微型葡萄糖传感器的原理及优缺点，并对当前迅速发展的柔性表皮电子技术进行了简要介绍。根据以上分析确定了本文中所选用的细胞间质液抽取方法—反离子电渗法和葡萄糖传感方法—柔性表皮电化学传感，然后分析总结了要实现基于反离子电渗法的连续血糖监测技术需要解决的三大问题。并根据目前的技术和需要解决的问题，提出了一种基于柔性表皮生物微流体的连续血糖监测技术，以满足糖尿病患者的临床诊断需求。
2.介绍了一种基于表皮生物微流体技术透皮抽取细胞间质液的方法(反离子电渗法)。当给相邻区域的皮肤施加不同电势时，两个区域会经由皮肤和皮下组织形成电场，在电场力作用下，细胞间质液中的正负离子会向两极定向移动，形成离子流，该离子流通过汗腺和毛孔可以渗透出皮肤，从而在皮肤表层形成自阳极到阴极的离子传输表皮生物微流体通道，带有葡萄糖分子的细胞间质液即经由皮肤的离子传输微通道被抽取出来，而皮肤的阳离子选择透过性使得该离子流以钠离子为主要载体。根据此原理，本文中设计了柔性表皮抽取电极来实现基于反离子电渗法的细胞间质液透皮抽取，如此使抽取电极和皮肤一起构成了柔性表皮微流体系统。柔性表皮电极可以紧密地贴附在皮肤表面，随皮肤的运动而变形，能避免由于相对运动使电极与皮肤脱离而导致的抽取不连续，提升细胞间质液的透皮抽取效果。同时本文利用具有良好生物兼容性的Nafion膜来覆盖电极金属结构，降低金属接触对皮肤的灼烧。而且Nafion薄膜具有很好的阳离子交换作用，用其覆盖抽取电极表面，能够促进抽取电极和皮肤的电接触，从而促进细胞间质液的抽取。本文利用搭建的四通道喷墨打印系统在柔性聚酰亚胺薄膜基底上加工了设计的细胞间质液抽取电极。该系统包括一个气泵作为系统的气压源(正负压均有)；一个四路气压精密控制模块以清洗喷墨打印头并使喷墨打印过程中的气压保持恒定；一个三维位移台以固定目标打印物并使其按设计进行移动从而实现图形化加工；四个喷墨打印头以同时实现多种材料的喷印；一个电驱动模块根据打印信号驱动喷墨打印头工作；一个观察模块，包含一个带有频闪的水平相机以实时观察喷墨状态，一个竖直相机以校正打印起始点位置；一个计算机以实现打印图形设计和信号收发。该系统的工作频率为1-20kHz，重复定位精度为5μm，能实现多种功能材料的喷墨。该系统可实现无掩模、按需、低温和直写式微加工，可满足柔性电子器件的加工需求。在本文中，利用该系统加工电极之前，先对柔性聚酰亚胺薄膜基底进行了表面预处理以使得其更加亲水，亲水的表面有利于喷印液滴的扩散，避免了因相邻液滴黏连而导致的不连续，提升了电极打印质量。
3.为克服基于反离子电渗法抽取细胞间质液的挑战(如何实现低皮肤刺激下的细胞间质液抽取)，根据对细胞间质液透皮抽取机理的分析，提出了一种热激发方法，通过局部加热提升皮肤的通透性，从而促进细胞间质液的透皮抽取效率，以实现低电流密度下的细胞间质液抽取。为验证所提出的热激发方法对细胞间质液透皮抽取的促进作用，进行了皮肤阻抗检测实验和细胞间质液抽取实验。首先，利用三电极法无创的测量了在室温下(25℃)和加热条件下(37℃)皮肤法相阻抗随时间的变化情况，实验结果表明，在加热条件下，皮肤的法相阻抗会降低，即皮肤的通透性会增强，此结果说明证实了所提出的热激发方法能增强人体皮肤的通透性。其次，为获得所提出的热激发方法对细胞间质液抽取效率的具体增强效果，利用恒流源抽取了细胞间质液，并利用钠离子计测量抽取出的钠离子的量，以此来反应不同电流密度下、不同抽取时间下细胞间质液的抽取效率。实验结果表明，热激发条件下细胞间质液的抽取效率显著提高，且以电流密度150μA/cm2抽取3分钟即可满足葡萄糖测量要求，且根据受试者的感觉，在150μA/cm2的抽取电流密度下，即使连续抽取超4小时也没有明显的酥麻感。以上结果说明，通过所提出的热激发方法可实现低皮肤刺激下的细胞间质液抽取。为实现可穿戴式的皮肤热激发，本文设计并加工了柔性表皮温控部件。设计了具有阿基米德螺旋结构的金电热丝，以实现均匀加热，同时设计了具有阿基米德螺旋结构的金电阻丝作为温度传感器，并将其嵌入金加热丝螺旋结构内部以准确获取温度变化信息，电热丝和温度传感器均是以喷墨打印加工而成的。另一方面，设计并加工了一个柔性的比例积分微分控制电路，以实现热激发以及37℃的温度保持。根据仿真，热平衡时加热区温差小于0.3℃。并做了温度控制实验，实验结果表明，在利用设计加工的温度控制部件控温时，温度波动小于0.1℃。该温度控制部件能热激发皮肤，实现了低皮肤刺激下的细胞间质液抽取，缩短了单次测量时间，更有利于连续测量。同时，该部件可将检测器件的温度保持在37℃，有助于电化学检测，避免了温度补偿，并使葡萄糖氧化酶更具活性。
4.为实现对低浓度葡萄糖的高精度检测，设计将柔性表皮电化学葡萄糖传感器与细胞间质液抽取阴极集成，以实现原位监测；同时基于喷墨打印，在原位测量的柔性传感器工作电极表面定点、可控的修饰了石墨烯/铂纳米颗粒三维纳米复合结构，拓宽了传感器的检测限、提高了传感器的灵敏度。基于“纹身式”设计需求，本文设计了柔性电化学葡萄糖传感器，柔性特质使其能与皮肤紧密贴合，随皮肤的变形而变形，能避免由于人体运动而导致的皮肤与传感器相对位移，提升葡萄糖测量结果的准确性；另一方面，将传感器和细胞间质液抽取阴极集成在一起，将细胞间液抽取阴极作为葡萄糖传感器的对电极/参比电极，通过原位测量以避免由于输运产生液体流失而导致的测量结果不准确。考虑到石墨烯(特别是石墨烯碎片)和铂纳米颗粒都具有大的表面积/体积比，具有很多电化学活性位点，且有很强的导电特性，能够极大的提升传感器的有效工作电极面积和电极表面的电子迁移率，同时石墨烯和铂纳米颗粒都具有良好的生物兼容性，有利于保持固定在其上的葡萄糖氧化酶的活性和稳定性，本文基于喷墨打印工艺在葡萄糖传感器工作电极表面定点、可控地修饰了石墨烯/铂纳米颗粒三维纳米复合结构，同时以喷墨打印将普鲁士蓝打印在了此三维纳米复合结构上，从而有效的提升了电化学传感器对于葡萄糖分子的测量灵敏度。利用喷墨打印来修饰以上纳米结构的原因在于柔性表皮电化学葡萄糖传感器工作电极的面积很小，在微小面积的电极表面进行纳米材料的修饰十分困难，而其他不需要修饰的电极在修饰过程中还需要保护，这进一步增加了操作的困难程度，而喷墨打印能直接定点、可控且无需掩膜保护地将以上纳米材料直接修饰到传感器工作电极表面。传感器测试结果表明，相对于未经修饰的传感器，经过石墨烯/铂纳米颗粒/普鲁士蓝修饰后，传感器灵敏度提升了近11倍。传感器对葡萄糖的测试结果表明，能实现在0-400mg/dL范围内的线性检测，且在低浓度范围内也有较高的精度，测量分辨率为0.52mg/dL，这说明修饰了石墨烯/铂纳米颗粒三维纳米复合结构的葡萄糖传感器具有在生理范围内准确检测葡萄糖浓度的能力，且能实现对低浓度葡萄糖的高精度检测。
5.为消除个体差异和自然出汗对葡萄糖测量结果的影响，建立了差分钠离子校正模型，并设计和制造了柔性差分钠离子传感器。由于个体的差异，不同人不同位置的皮肤状况都不一样，使得在相同条件下抽取出的细胞间质液的量也不一样，这会导致测量获得的浓度值与实际值有较大偏差。另一方面，由于细胞间质液中钠离子浓度相对稳定，反离子电渗法中葡萄糖分子是通过钠离子运载出来的，且钠离子和葡萄糖分子抽取速率的比值与皮下细胞间质液中钠离子和葡萄糖的浓度比值正相关，于是本文通过监测钠离子的抽取量从而校正葡萄糖测量结果，以消除个体差异以及皮肤通透性随时间变化而导致的细胞间质液抽取量波动带来的测量误差。本文建立了校正模型，该模型利用增量数据处理和钠离子量消除了个体差异和皮肤通透性随时间变化对测量结果的影响，且通过首次测量单点校正，可直接预测血糖浓度，从而能实现连续血糖预测。另一方面，自然出汗会影响钠离子测量结果，从而影响最终的葡萄糖校正预测结果，必须予以消除，本文利用对抽取电极正负极的钠离子进行差分测量来消除自然出汗的影响。基于以上分析和模型，本文设计和加工了柔性差分钠离子传感器，并将该传感器与葡萄糖传感器、细胞间质液抽取电极集成以实现原位的差分钠离子检测。经实验测试，该钠离子传感器有较好的线性。本文利用猪皮模拟实验实现了类细胞间质液的透皮抽取、葡萄糖原位检测和钠离子原位检测，实验结果表明，经模型校正后的葡萄糖预测准确度明显高于未经校正的结果，证实了通过钠离子校正消除个体差异和皮肤通透性随时间变化的有效性。
6.集成了上述各个功能部件，并通过口服葡萄糖耐量实验证实了本文所提出的基于柔性表皮生物微流体的连续血糖监测技术的可行性。该集成器件主要包含两个贴片：一个是集成了细胞间质液抽取电极、葡萄糖传感器和差分钠离子传感器的柔性葡萄糖监测贴片；一个是柔性温控贴片。在实际应用过程中，柔性葡萄糖监测贴片直接贴于人体皮肤表面，柔性温控贴片则直接贴于柔性葡萄糖监测贴片背部以实现温控。整个器件的工作过程为：柔性温控部件对皮肤进行局部加热至37℃并保持，经过7分钟的皮肤热激发后，葡萄糖监测贴片开始工作，首先以150μA/cm2的电流密度恒流抽取细胞间质液3分钟，接着以葡萄糖传感器测量葡萄糖浓度、差分钠离子传感器测量抽取阴极和抽取阳极的钠离子浓度，再循环抽取和测量过程，实现连续监测。其中前两次的测量结果的差值需要与指尖釆血值进行校准，获得校正系数。实验结果表明，经过差分钠离子模型校正后的血糖预测结果和指尖釆血测量获得的血糖浓度一致性较好，在Clarke误差分析中，差分校正后的所有预测值都落在A区域(临床精度区)和B区域(临床可接受区)(A占61.54％、B占38.46％)，这表明本文所提出的表皮生物微流体连续血糖监测器件可以较为准确地预测生理范围内的血糖浓度，证实了所提出的基于柔性表皮生物微流体的连续血糖监测技术的可行性。实验分析结果还表明，没有经钠离子模型校正的血糖预测值落在A区域、B区域和E区域(误诊值区)，其中A占33.85％、B占61.54％、E占4.61％；而当仅以抽取阴极钠离子测量值来校正血糖预测结果时，预测值则落在A区域、B区域、C区域(过校正区)和E区域，其中A占42.19％、B占40.62％、C占9.38％、E占7.81％。以上结果证实了差分钠离子校正对于消除个体差异和自然出汗对预测结果的影响是必要的。在以上工作中，本文的创新之处在于：
1)提出了一种基于热激发提升细胞间质液抽取效率的方法，缩短了单次测量时间，更加有利于连续监测，同时实现了低电流密度下的细胞间质液抽取，降低了抽取过程对皮肤的刺激。
2)提出了一种通过喷墨打印微制造技术，在原位测量的柔性电化学葡萄糖传感器工作电极表面定点、可控修饰石墨烯/铂纳米颗粒三维纳米复合结构的方法，提高了传感器的灵敏度，实现了低浓度葡萄糖的高精度检测。
3)提出了一种通过柔性表皮差分钠离子传感器校正血糖测量结果的方法，通过钠离子测量补偿了细胞间质液抽取量波动对测量结果的影响，通过差分测量补偿了自然流汗对测量结果的影响，解决了个体差异问题，提升了血糖预测准确度。