Microinfusore/CGM/Pancreas artificiale

Monitoraggio dei livelli di glucosio senza aghi

I ricercatori della Penn State hanno sviluppato un prototipo di un sensore di glucosio indossabile e non invasivo, mostrato qui sul braccio.
CREDITO: Jia Zhu, Penn State

I ricercatori della Penn State sviluppano il primo prototipo di dispositivo indossabile e non invasivo per il monitoraggio del glucosio

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I dispositivi di monitoraggio del glucosio non invasivi non sono attualmente disponibili in commercio negli Stati Uniti, quindi le persone con diabete devono raccogliere campioni di sangue o utilizzare sensori incorporati sotto la pelle per misurare i livelli di zucchero nel sangue. Ora, con un nuovo dispositivo indossabile creato dai ricercatori della Penn State, il monitoraggio del glucosio meno invadente potrebbe diventare la norma.

Guidati da Huanyu “Larry” Cheng, Dorothy Quiggle Career Development Professor presso il Dipartimento di Ingegneria Scienza e Meccanica della Penn State, i ricercatori hanno pubblicato i dettagli del sensore non invasivo e a basso costo in grado di rilevare il glucosio nel sudore in Biosensors and Bioelectronics. Il documento, disponibile online, verrà pubblicato nel numero cartaceo di dicembre della rivista.

I ricercatori hanno prima costruito il dispositivo con grafene indotto dal laser (LIG) , un materiale costituito da strati di carbonio dello spessore di un atomo in varie forme. Con un’elevata conduttività elettrica e un comodo tempo di fabbricazione di pochi secondi, LIG ??sembrava essere una struttura ideale per il dispositivo di rilevamento, ma c’era un avvertimento significativo.

“La sfida qui è che LIG non è affatto sensibile al glucosio”, ha detto Cheng. “Quindi, avevamo bisogno di depositare un materiale sensibile al glucosio sul LIG”.

Il team ha scelto il nichel per la sua forte sensibilità al glucosio, secondo Cheng, e lo ha combinato con l’oro per ridurre i potenziali rischi di una reazione allergica. I ricercatori hanno ipotizzato che il LIG dotato della lega nichel-oro sarebbe in grado di rilevare basse concentrazioni di glucosio nel sudore sulla superficie della pelle.

Monitoraggio del glucosio, senza aghi

I dispositivi di monitoraggio del glucosio non invasivi non sono attualmente disponibili in commercio negli Stati Uniti, quindi le persone con diabete devono raccogliere campioni di sangue o utilizzare sensori incorporati sotto la pelle per misurare i livelli di zucchero nel sangue. Ora, con un nuovo dispositivo indossabile creato dai ricercatori della Penn State, il monitoraggio del glucosio meno invadente potrebbe diventare la norma.

Un materiale con un’elevata sensibilità al glucosio era una priorità. Il sudore mostra concentrazioni di glucosio notevolmente basse rispetto al sangue, ma, secondo Cheng, esiste una forte correlazione tra i livelli di glucosio nel sudore e nel sangue. Mentre la concentrazione di glucosio nel sudore è circa 100 volte inferiore alla concentrazione nel sangue, il dispositivo del team è abbastanza sensibile da misurare con precisione il glucosio nel sudore e riflettere la concentrazione nel sangue.

La sensibilità della lega di nichel-oro ha permesso al team di Cheng di escludere gli enzimi, che sono spesso usati per misurare il glucosio in dispositivi più invasivi, disponibili in commercio o in monitor non invasivi proposti da altri ricercatori. Questi enzimi, tuttavia, possono degradarsi rapidamente con il tempo e le variazioni di temperatura.

“Un sensore enzimatico deve essere mantenuto a una certa temperatura e pH, e l’enzima non può essere conservato a lungo termine”, ha detto Cheng. “Un sensore di glucosio non enzimatico, d’altra parte, è vantaggioso in termini di prestazioni stabili e sensibilità al glucosio indipendentemente da questi cambiamenti”.

I sensori non enzimatici richiedono una soluzione alcalina, che può danneggiare la pelle e in genere limita l’indossabilità del dispositivo. Per arginare questo problema, Cheng e il suo team hanno collegato una camera microfluidica alla lega LIG. Questa camera è più piccola rispetto alle configurazioni sviluppate in precedenza per favorire la vestibilità e porosa per consentire una vasta gamma di movimenti, come allungamento o schiacciamento. È collegato a un ingresso di raccolta che fa passare il sudore nella soluzione senza che la soluzione venga a contatto con la pelle. La soluzione di base interagisce con le molecole di glucosio per produrre un composto che reagisce con la lega. Questa reazione innesca un segnale elettrico, che indica la concentrazione di glucosio nel sudore.

Con una camera di soluzione alcalina più piccola, l’intero dispositivo ha all’incirca le dimensioni di un quarto ed è abbastanza flessibile da mantenere un attaccamento sicuro al corpo umano, ha detto Cheng.

In un test di prova, i ricercatori hanno utilizzato un adesivo sicuro per la pelle per attaccare il dispositivo riutilizzabile al braccio di una persona un’ora e tre ore dopo un pasto. Il soggetto ha eseguito un breve allenamento, quanto basta per produrre sudore, subito prima di ogni misurazione. Pochi minuti dopo aver raccolto il sudore, i ricercatori hanno scoperto che la concentrazione di glucosio rilevata scendeva dalla prima misurazione alla successiva. Le misurazioni del glucosio dal dispositivo sono state verificate mediante misurazioni effettuate con un monitor di glucosio disponibile in commercio.

Cheng e il team hanno in programma di migliorare il loro prototipo per applicazioni future, compreso il modo in cui i pazienti oi medici possono utilizzare il sensore per misurazioni incrementali del glucosio o il monitoraggio continuo per determinare le azioni di trattamento, come la somministrazione di insulina. Intendono anche perfezionare ed espandere questa piattaforma per un monitoraggio più confortevole di altri biomarcatori che possono essere trovati nel sudore o nei fluidi interstiziali che riempiono lo spazio tra le cellule del corpo.

“Vogliamo lavorare con medici e altri operatori sanitari per vedere come possiamo applicare questa tecnologia per il monitoraggio quotidiano di un paziente”, ha affermato Cheng. “Questo sensore di glucosio serve come esempio fondamentale per dimostrare che possiamo migliorare il rilevamento dei biomarcatori nel sudore a concentrazioni estremamente basse”.


Altri contributori includono il co-primo autore Jia Zhu, il co-primo autore Shangbin Liu, Zhihui Hu, Xianzhe Zhang, Ning Yi, Kairui Tang e Michael Gregory Dexheimer, Department of Engineering Science and Mechanics; Qing Wang con il Dipartimento di Scienza e Ingegneria dei Materiali presso il College of Earth and Mineral Sciences; Xiaojun Lian e Jian Yang con il Dipartimento di Ingegneria Biomedica; e Jennifer Grey con il Materials Research Institute. Hu è anche affiliato alla Wuhan University of Technology in Cina e Yi è anche affiliato al Dipartimento di Scienza e Ingegneria dei Materiali della Penn State.

La National Science Foundation e il National Heart, Lung and Blood Institute of the National Institutes of Health (numero del premio R61HL154215) hanno sostenuto questo lavoro.

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