Безинъекционное устройство мониторинга глюкозы

Исследователи из Пенсильванского университета разработали первый в своем роде прототип носимого неинвазивного устройства для мониторинга глюкозы.

Устройства для неинвазивного мониторинга глюкозы в настоящее время коммерчески недоступны в Соединенных Штатах, поэтому люди с диабетом должны собирать образцы крови или использовать датчики, встроенные под кожу, для измерения уровня сахара в крови. Теперь, с новым носимым устройством, созданным исследователями из Пенсильвании, менее навязчивый мониторинг глюкозы может стать нормой.

Исследователи из Пенсильвании разработали прототип переносного неинвазивного датчика глюкозы, который показан здесь на руке.

Под руководством Хуанью «Ларри» Ченг, профессора по развитию карьеры Дороти Квиггл Департамента инженерных наук и механики штата Пенсильвания, исследователи опубликовали подробные сведения о неинвазивном недорогом сенсоре, который может определять глюкозу в поту в биосенсорах и биоэлектронике. Газета, доступная в Интернете, будет опубликована в декабрьском печатном номере журнала.

Конструкция устройства

Сначала исследователи сконструировали устройство с использованием лазерно-индуцированного графена (LIG), материала, состоящего из углеродных слоев различной формы толщиной до атома . Благодаря высокой электропроводности и удобному времени изготовления, составляющему всего несколько секунд, LIG оказался идеальной основой для сенсорного устройства, но с этим было сделано существенное предостережение.

«Проблема здесь в том, что LIG вообще не чувствителен к глюкозе», — сказал Ченг. «Итак, нам нужно было нанести чувствительный к глюкозе материал на LIG».

По словам Ченга, команда выбрала никель из-за его высокой чувствительности к глюкозе и объединила его с золотом, чтобы снизить потенциальный риск аллергической реакции. Исследователи предположили, что LIG, оснащенный сплавом никель-золото, сможет обнаруживать низкие концентрации глюкозы в поте на поверхности кожи.

Доступность устройств

Устройства для неинвазивного мониторинга глюкозы в настоящее время коммерчески недоступны в Соединенных Штатах, поэтому люди с диабетом должны собирать образцы крови или использовать датчики, встроенные под кожу, для измерения уровня сахара в крови. Теперь, с новым носимым устройством, созданным исследователями из Пенсильвании, менее навязчивый мониторинг глюкозы может стать нормой.

Материал с высокой чувствительностью к глюкозе был приоритетным. Пот демонстрирует удивительно низкие концентрации глюкозы по сравнению с кровью, но, по словам Ченга, существует сильная корреляция между уровнями глюкозы в поте и крови. Хотя концентрация глюкозы в поту примерно в 100 раз меньше, чем концентрация в крови, устройство команды достаточно чувствительно, чтобы точно измерить глюкозу в поту и отразить концентрацию в крови.

Чувствительность сплава никель-золото позволила команде Ченга исключить ферменты, которые часто используются для измерения глюкозы в более инвазивных, коммерчески доступных устройствах или в неинвазивных мониторах, предложенных другими исследователями. Однако эти ферменты могут быстро разрушаться со временем и при изменении температуры.

«Ферментативный сенсор должен храниться при определенной температуре и pH, а фермент не может храниться в течение длительного времени», — сказал Ченг. «С другой стороны, неферментативный датчик глюкозы имеет преимущество с точки зрения стабильной работы и чувствительности к глюкозе независимо от этих изменений».

• Для неферментативных сенсоров требуется щелочной раствор, который может повредить кожу и обычно ограничивает возможность ношения устройства. Чтобы решить эту проблему, Ченг и его команда прикрепили микрожидкостную камеру к сплаву LIG. Эта камера меньше, чем ранее разработанные конфигурации, чтобы обеспечить удобство ношения и пористая, чтобы обеспечить диапазон движений, таких как растяжение или раздавливание.
• Он подключен к входному патрубку, через который в раствор проходит пот, не позволяя раствору касаться кожи.
• Основной раствор взаимодействует с молекулами глюкозы с образованием соединения, которое вступает в реакцию со сплавом. Эта реакция запускает электрический сигнал, указывающий на концентрацию глюкозы в поте.

По словам Ченга, с меньшей камерой для щелочного раствора все устройство имеет размер примерно четверть и достаточно гибкое, чтобы поддерживать надежное прикрепление к человеческому телу.

В ходе проверки концепции исследователи использовали безопасный для кожи клей, чтобы прикрепить устройство многоразового использования к руке человека через час и три часа после еды.

Испытуемый выполнял короткую тренировку — ровно столько, чтобы потеть — прямо перед каждым измерением. Через несколько минут после сбора пота исследователи обнаружили, что обнаруженная концентрация глюкозы упала от первого измерения к следующему. Измерения глюкозы с помощью устройства были подтверждены измерениями, выполненными с помощью имеющегося в продаже монитора глюкозы.

Ченг и его команда планируют улучшить свой прототип для будущих приложений, в том числе обсудить, как пациенты или клиницисты могут использовать датчик для дополнительных измерений глюкозы или постоянного мониторинга для определения лечебных действий, таких как введение инсулина. Они также намерены усовершенствовать и расширить эту платформу для более удобного мониторинга других биомаркеров, которые можно найти в поте или интерстициальных жидкостях, заполняющих пространство между клетками в организме.

«Мы хотим работать с врачами и другими поставщиками медицинских услуг, чтобы увидеть, как мы можем применить эту технологию для ежедневного наблюдения за пациентом», — сказал Ченг. «Этот датчик глюкозы служит основополагающим примером, демонстрирующим, что мы можем улучшить обнаружение биомаркеров в поту при чрезвычайно низких концентрациях».