Диабетът е често срещано хронично заболяване със значителни рискове. Съществуващата одобрена от FDA-технология за непрекъснат мониторинг на глюкозата (CGM) с имплантируеми електроди е предразположена към странични ефекти като болка и инфекция поради дългите си електроди. Микроиглените устройства с игли с дължина от само няколкостотин микрометра до няколко милиметра могат да проникнат в роговия слой, без да докосват кръвоносни съдове или нерви, предлагайки предимствата да бъдат безболезнени и минимално инвазивни. Те могат също така да използват масиви за откриване на множество аналити, предоставяйки по-директна и точна информация за биохимията на интерстициалната течност в сравнение с не-инвазивните технологии.
Клиничните проучвания показват, че наблюдението на множество биохимични маркери е от решаващо значение за оценката на диабета. Нарушенията в глюкозната хомеостаза могат да повлияят на концентрациите на електролитите и киселинно-алкалния баланс. Метаболитни маркери като пикочна киселина и холестерол също са тясно свързани с диабета и неговите усложнения. Например, повишените нива на пикочна киселина могат да увеличат риска от диабетна нефропатия или диабет тип 2. Не-технологиите за инвазивно наблюдение са обект на намеса от фактори на околната среда и се борят да отразят истинската концентрация на аналитите в подкожната течност или кръвта. Минимално инвазивните сензори са изправени пред предизвикателства като трудна обработка, затруднено наблюдение в сложни среди, нестабилни дългосрочни-сигнали за наблюдение и рискове, свързани с традиционните методи за калибриране.
За тази цел изследователският екип разработи само-калибрираща серия от мултиплексирани микроиглени електроди (SC-MMNEA), която може да наблюдава девет биологични аналита, включително глюкоза и холестерол, в реално време и на място. Вдъхновена от игло{3}}подобните шипове и многобройните вкусови рецептори на котешкия език, системата се състои от много-сензор с микроиглена матрица за анализ, модул за само-калибриране и модул за електронна схема. Всяка микроигла е насочена към конкретен аналит, а броят и функцията на микроиглите могат да бъдат гъвкаво проектирани, което позволява персонализирано тестване.
SC-MMNEA предлага значителни предимства: Първо, той е по-малко инвазивен и безболезнен от традиционните имплантируеми методи за изследване; второ, той използва набор от дискретни микроигли, като избягва кръстосани смущения, причинени от директна химическа модификация; трето, микроиглите могат гъвкаво да се комбинират, за да отговорят на много{1}}нуждите за тестване на параметри; четвърто, може селективно да открие множество аналити в интерстициална течност in situ; и пето, неговият модул за само-калибриране елиминира необходимостта от инвазивно вземане на кръвни проби, като се справя с предизвикателствата при калибриране на традиционните CGM.
За подобряване на производителността микроиглите първо се модифицират с въглеродни нанотръби (CNT) и след това се покриват с поли(3,4-етилендиокситиофен):полистиренсулфонат (PEDOT:PSS), за да се образува нанокомпозит, който след това се модифицира допълнително в различни функционални електроди. Метаболитите и реактивните кислородни видове се откриват с помощта на ензимни електроди с помощта на амперометрия, докато йони се откриват с помощта на йон-селективна мембрана. По време на in vitro тестване се използва запечатваща мембрана за симулиране на роговия слой на кожата и микроиглите проникват в мембраната, за да открият концентрациите на аналита.
Модулът за само{0}}калибриране инжектира стандартен разтвор с известна концентрация в интерстициалната течност през кухите микроигли. Съседни микроиглени електроди измерват концентрацията, установявайки връзка-концентрация на сигнала. Генерира се стандартна крива за калибриране на сигналите в други времеви точки и коригиране на измерената концентрация. Анализът на мрежата на грешките показа, че грешките при измерване на глюкоза и холестерол след само-калибриране са съответно 11,33±8,24% и 9,43±8,37%, като и двете отговарят на клиничните изисквания; грешките на показатели като лактат и пикочна киселина също бяха значително намалени след калибриране и точността на данните беше висока.
SC-MMNEA, валидиран чрез симулации на COMSOL, in vitro експерименти и модели на плъхове, може непрекъснато да записва концентрациите на множество аналити в реално време. Неговата функция за само-калибриране адресира проблема с намалената точност при дългосрочно-имплантиране. Използвайки хибридна производствена стратегия, микроиглените електроди са сменяеми, което потенциално разширява възможностите му за откриване на допълнителни молекули. Устройството обаче трябва да се съхранява при ниска-температура, богата-на азот среда и е проектирано за еднократна-употреба. Бъдещата работа ще изисква оптимизиране на консистенцията на партидата на сензора и еднородността на покритието за промишлено производство.
В сравнение с традиционните тест ленти за кръвна захар и CGM с една -функция, SC-MMNEA може да наблюдава множество биохимични показатели в реално време, предоставяйки цялостни оценки на здравословното и физиологичното състояние на пациентите с диабет. Има потенциала да насърчи прилагането на носими диагностични устройства за дългосрочен-мониторинг на химични вещества в тялото.