Diabetes ist eine häufige chronische Erkrankung mit erheblichen Risiken. Die bestehende, von der FDA-zugelassene Technologie zur kontinuierlichen Glukoseüberwachung (CGM) mit implantierbaren Elektroden ist aufgrund ihrer langen Elektroden anfällig für Nebenwirkungen wie Schmerzen und Infektionen. Mikronadelgeräte mit Nadeln mit einer Länge von nur wenigen hundert Mikrometern bis zu einigen Millimetern können in das Stratum Corneum eindringen, ohne Blutgefäße oder Nerven zu berühren, und bieten den Vorteil, dass sie schmerzlos und minimalinvasiv sind. Sie können auch Arrays zum Nachweis mehrerer Analyten verwenden und so direktere und genauere Informationen zur interstitiellen Flüssigkeitsbiochemie liefern als nicht-invasive Technologien.
Klinische Studien haben gezeigt, dass die Überwachung mehrerer biochemischer Marker für die Beurteilung von Diabetes von entscheidender Bedeutung ist. Störungen der Glukosehomöostase können die Elektrolytkonzentration und den Säure-Basen-Haushalt beeinträchtigen. Auch Stoffwechselmarker wie Harnsäure und Cholesterin stehen in engem Zusammenhang mit Diabetes und seinen Komplikationen. Beispielsweise kann ein erhöhter Harnsäurespiegel das Risiko einer diabetischen Nephropathie oder eines Typ-2-Diabetes erhöhen. Nicht-invasive Überwachungstechnologien unterliegen Störungen durch Umweltfaktoren und haben Schwierigkeiten, die tatsächliche Konzentration von Analyten in subkutaner Flüssigkeit oder Blut wiederzugeben. Minimalinvasive Sensoren stehen vor Herausforderungen wie schwieriger Verarbeitung, Schwierigkeiten bei der Überwachung in komplexen Umgebungen, instabilen Langzeitüberwachungssignalen und Risiken im Zusammenhang mit herkömmlichen Kalibrierungsmethoden.
Zu diesem Zweck entwickelte das Forschungsteam ein selbst-kalibrierendes Multiplex-Mikronadel-Elektroden-Array (SC-MMNEA), das neun biologische Analyten, darunter Glukose und Cholesterin, in Echtzeit und vor Ort überwachen kann. Inspiriert von den nadelartigen Widerhaken und den vielfältigen Geschmacksknospen der Katzenzunge, besteht das System aus einem Mikronadel-Array-Sensor mit mehreren Analyten, einem Selbstkalibrierungsmodul und einem elektronischen Schaltkreismodul. Jede Mikronadel ist auf einen bestimmten Analyten ausgerichtet und die Anzahl und Funktion der Mikronadeln kann flexibel gestaltet werden, was individuelle Tests ermöglicht.
SC-MMNEA bietet erhebliche Vorteile: Erstens ist es weniger invasiv und schmerzlos als herkömmliche implantierbare Testmethoden; Zweitens nutzt es eine Reihe diskreter Mikronadeln und vermeidet dadurch Übersprechen, die durch direkte chemische Modifikation verursacht werden. Drittens können die Mikronadeln flexibel kombiniert werden, um den Testanforderungen für mehrere Parameter gerecht zu werden. viertens kann es mehrere Analyten in interstitieller Flüssigkeit in situ selektiv nachweisen; Und fünftens macht das Selbst--Kalibrierungsmodul die Notwendigkeit einer invasiven Blutentnahme überflüssig und bewältigt so die Kalibrierungsherausforderungen herkömmlicher CGMs.
Um die Leistung zu steigern, werden die Mikronadeln zunächst mit Kohlenstoffnanoröhren (CNTs) modifiziert und dann mit Poly(3,4-ethylendioxythiophen):Polystyrolsulfonat (PEDOT:PSS) beschichtet, um ein Nanokomposit zu bilden, das dann zu verschiedenen funktionellen Elektroden weiter modifiziert wird. Metaboliten und reaktive Sauerstoffspezies werden mithilfe von Enzymelektroden mittels Amperometrie nachgewiesen, während Ionen mithilfe einer ionenselektiven Membran nachgewiesen werden. Bei In-vitro-Tests wird eine Dichtungsmembran verwendet, um das Stratum Corneum der Haut zu simulieren, und die Mikronadeln dringen in die Membran ein, um Analytkonzentrationen zu erfassen.
Das Selbstkalibrierungsmodul injiziert eine Standardlösung bekannter Konzentration durch die hohlen Mikronadeln in die interstitielle Flüssigkeit. Benachbarte Mikronadelelektroden messen die Konzentration und stellen eine Signal-Konzentrationsbeziehung her. Es wird eine Standardkurve erstellt, um die Signale zu anderen Zeitpunkten zu kalibrieren und die gemessene Konzentration zu korrigieren. Die Fehlerrasteranalyse zeigte, dass die Messfehler von Glukose und Cholesterin nach der Selbstkalibrierung 11,33 ± 8,24 % bzw. 9,43 ± 8,37 % betrugen, was beide den klinischen Anforderungen entsprach; Auch die Fehler von Indikatoren wie Laktat und Harnsäure wurden nach der Kalibrierung deutlich reduziert und die Datengenauigkeit war hoch.
SC-MMNEA, validiert durch COMSOL-Simulationen, In-vitro-Experimente und Rattenmodelle, kann die Konzentrationen mehrerer Analyten kontinuierlich in Echtzeit aufzeichnen. Seine Selbst-Kalibrierungsfunktion behebt das Problem der verringerten Genauigkeit bei Langzeitimplantationen. Durch den Einsatz einer Hybrid-Herstellungsstrategie sind die Mikronadel-Elektroden austauschbar, was möglicherweise die Fähigkeit erweitert, zusätzliche Moleküle zu erkennen. Das Gerät muss jedoch in einer stickstoffreichen Umgebung mit niedrigen -Temperaturen-gelagert werden und ist für den einmaligen{8}}Gebrauch konzipiert. Zukünftige Arbeiten erfordern die Optimierung der Chargenkonsistenz der Sensoren und der Gleichmäßigkeit der Beschichtung für die industrielle Produktion.
Im Vergleich zu herkömmlichen Blutzuckerteststreifen und Einzelfunktions-CGMs kann SC-MMNEA mehrere biochemische Indikatoren in Echtzeit überwachen und so umfassende Beurteilungen des Gesundheitszustands und des physiologischen Status von Diabetikern ermöglichen. Es hat das Potenzial, den Einsatz tragbarer Diagnosegeräte zur Langzeitüberwachung chemischer Substanzen im Körper zu fördern.