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从一道课后习题认识人工胰岛——血糖稳态的人工模拟
从一道课后习题认识人工胰岛——血糖稳态的人工模拟
人教版选择性必修1《稳态与调节》第55页有如下“拓展应用”题：
这道课后习题，引导我们思考：能不能用工程技术手段，模拟胰岛的调节功能，重建血糖稳态？这个工程产物就是人工胰岛，也叫人工胰腺。部分学生因对教材知识的理解不全或缺少相关资料而不能科学正确地解答此题，甚至大部分学生放弃或忽视此题。
2026年湖北高考题中出现脑机接口技术给我们启示（脑机接口：从教材“科学·技术·社会”到2026高考题），对于教材中出现的新技术等必需关注，这些题目或资料往往作为高考命题素材，为些本文通过相关资料，对此题进行全面分析解答。
一、人工胰岛的结构与工作原理
注：左图为人工胰腺工作原理图；右图为闭环人工胰岛示意图，两张图共同展示闭环人工胰岛的负反馈调节环路。
观察两张示意图，可以看到闭环人工胰岛由连续血糖监测（CGM）传感器、信号接收器/控制程序、胰岛素泵三大部分组成，共同构成一个完整的负反馈调节系统：
1.CGM传感器（图中标号1）：埋植在患者皮下，持续检测皮下组织液葡萄糖浓度，相当于人体血糖调节的感受器，实时采集血糖数据并无线传输给控制模块。
2.控制模块/计算机程序（图中标号2）：接收传感器传来的血糖信号，对比正常血糖范围，自动计算需要输注的胰岛素剂量。它相当于这套人工系统的调节中枢。
3.胰岛素泵（图中标号3）：接收控制程序的指令，通过皮下细导管向体内释放胰岛素。胰岛素作用于全身组织细胞，促进组织细胞摄取、利用、储存葡萄糖，降低血糖浓度。
4.患者血糖反馈（图中标号4）：血糖变化再次被皮下CGM传感器捕捉，传回控制系统，形成闭环负反馈。血糖升高时，系统增加胰岛素输注；血糖回落至正常值，系统自动减少甚至停止给药，防止胰岛素过量引发低血糖。
目前商用的人工胰岛只能够输注胰岛素，不能分泌胰高血糖素。如果血糖过低，它只能停止给药，无法主动升高血糖，这是现有产品的局限。
对比区分：开环胰岛素泵，没有血糖传感器，无法自动感知血糖变化，需要患者手动输入血糖、手动给药，不存在自动负反馈调节，不属于真正意义上的人工胰岛。
二、人工胰岛各组件与人体血糖调节结构的对应关系
闭环人工胰岛组分/过程 | 对应人体血糖调节的结构/生理过程 | 对应教材知识点解释 |
1.CGM传感器（标号1） 检测血糖浓度，采集信号 | 胰岛B细胞（也可拓展：血糖感受器，下丘脑的血糖感知细胞） （首选：胰岛B细胞） | 人体中，胰岛B细胞本身可以直接感知血液葡萄糖浓度变化，血糖升高，胰岛B细胞感知刺激，相当于感受器； 拓展：下丘脑存在血糖感受器，也能感知血糖变化，属于神经调节途径的感受器。 👉CGM传感器功能：感知血糖变化，和胰岛B细胞“感受血糖浓度”的功能等效。 |
2.控制模块/计算机程序（标号2） 接收血糖信号，计算胰岛素释放量，下达指令 | 下丘脑血糖调节中枢+胰岛B细胞的信号处理功能 | 人体血糖调节中枢位于下丘脑：接收血糖信号，整合信息，调控胰岛B细胞分泌胰岛素；胰岛B细胞接收信号后，判断分泌多少胰岛素。 👉控制程序相当于把「下丘脑调节中枢+胰岛B细胞的信号判断」整合在一起，是这套人工系统的“调节中枢”。 |
3.胰岛素泵（标号3） 接收指令，释放胰岛素 | 胰岛B细胞（效应器） 效应器：胰岛B细胞，分泌胰岛素这一激素 | 人体：下丘脑传来信号/血糖直接刺激，胰岛B细胞作为效应器，分泌胰岛素，通过体液运输作用靶细胞。 👉胰岛素泵的功能就是代替受损胰岛B细胞，分泌（输注）胰岛素，完成效应器的输出工作。 |
4.患者血糖反馈环路（标号4） 血糖改变再次被传感器检测，形成闭环 | 负反馈调节过程（体液调节的反馈机制） | 人体：胰岛素发挥作用，血糖下降；血糖下降反过来抑制胰岛B细胞继续分泌胰岛素，避免血糖过低，这就是负反馈调节，维持稳态。 👉人工胰岛中血糖变化再次被CGM捕获，调整胰岛素输注量，模拟人体血糖调节的负反馈环路。 |
CGM传感器（感受器，胰岛B细胞感知血糖）→控制程序（下丘脑调节中枢）→胰岛素泵（效应器，胰岛B细胞分泌胰岛素）→血糖变化反馈（负反馈调节）
几个易错点提醒：
（1）人体天然调节里，胰岛B细胞兼具感受器和效应器双重身份，所以类比的时候有两种说法，高中优先简化：CGM=感受器，控制程序=下丘脑中枢，胰岛素泵=效应器（胰岛B细胞）。
（2）人体血糖调节还有胰高血糖素、肾上腺素升血糖，这套商用人工胰岛只有胰岛素一条通路，不能模拟升血糖的调节，只能通过停止输注胰岛素来避免低血糖，无法主动升高血糖。
（3）教材血糖调节有两条路径：①血糖直接刺激胰岛；②下丘脑通过神经调节控制胰岛。人工胰岛只模拟了“血糖浓度直接调控胰岛素分泌”这条体液调节主线。
三、习题解答：设计思想与需要解决的主要问题
1.设计思想
模拟健康人体胰岛B细胞的负反馈调节功能，设计一套可随身携带的装置。装置能够实时监测血糖浓度；血糖高于正常值时自动释放适量胰岛素降低血糖；血糖恢复正常后减少或停止释放胰岛素，维持血糖相对稳定；装置小型化，方便患者日常携带使用。
2.需要解决的主要问题
（1）血糖传感问题：传感器要体积小、响应快、测量精度高，可以长期稳定监测皮下血糖。早期设备最大瓶颈就是传感器不稳定。
（2）反馈控制算法：根据血糖数据精准计算胰岛素用量，设置安全阈值，防止用药过量造成低血糖。
（3）胰岛素输注系统：胰岛素需要稳定储存；微型泵可以微量、平稳输注；导管材料生物相容性好，减少皮肤刺激与感染风险。
（4）便携与安全：整体装置微型化、低功耗；增加故障报警，保证患者使用安全。
总之，人工胰岛是工程技术模拟生命稳态调节的典型案例，其核原理是负反馈调节。天然血糖调节依靠负反馈维持稳态；人工胰岛利用“血糖传感器（CGM）、控制芯片/程序、胰岛素泵”三大组件搭建人工负反馈环路，替代受损胰岛B细胞功能。但应明确，开环胰岛素泵≠人工胰岛；商用人工胰岛不能分泌胰高血糖素。
四、人工胰岛的发展历程
人工胰岛的研发分为两大技术路线：电子机械型人工胰岛（现已商用，就是上图展示的装置）和生物型人工胰岛（前沿科研）。
1.1960–1970年代：概念诞生，大型实验室原型1964年，科学家首次提出闭环人工胰岛构想。1977年诞生世界第一台闭环人工胰岛设备Biostator，可以自动监测血糖并输注胰岛素或葡萄糖。但是设备体积庞大，只能放置在医院病房，完全无法随身携带，只验证了负反馈调节的原理可行性。同期出现开环胰岛素泵，可以随身给药，但没有血糖自动检测功能。
2.1980–1990年代：便携化探索，CGM技术突破科学家尝试开发皮下血糖传感器，但早期传感器精度低、寿命短。直到1999年连续血糖监测CGM技术问世，能够长期埋在皮下持续监测血糖，补齐了便携人工胰岛最核心的短板，也就是两张示意图里的CGM传感器。
3.2010年代：可穿戴闭环人工胰岛商业化2016年全球第一款商用闭环人工胰岛上市。装置体积大幅缩小，可以随身携带，能够自动根据血糖调节基础胰岛素输注，血糖偏低时自动暂停给药。后续产品持续迭代优化，就是习题中提到的“已有这类产品”。
4.前沿方向：生物型人工胰岛科研人员尝试将胰岛β细胞包裹在半透膜中植入人体。半透膜允许葡萄糖、胰岛素小分子自由进出，同时阻挡人体免疫细胞攻击包裹内的胰岛细胞。血糖升高时，封装胰岛细胞自主分泌胰岛素。该方案更接近天然胰岛，但还存在材料、免疫、细胞来源等难题，暂未大规模临床应用。
——公众号“高中生物教与学”编写
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