Durante la última década, el tratamiento de la diabetes tipo 1 ha sido reencarnado por sistemas de entrega de insulina de cierre cerrado, a menudo llamados dispositivos de páncreas artificiales. Estos sistemas combinan un monitor de glucosa continuo (CGM) y una bomba de insulina con un algoritmo que ajusta automáticamente la entrega de insulina basado en lecturas de glucosa en tiempo real.

Cómo funcionan los dispositivos de páncreas artificiales de hoy

Un dispositivo de páncreas artificial, más precisamente denominado sistema de cierre híbrido, consta de tres componentes principales: un CGM que mide los niveles de glucosa intersticial cada pocos minutos, una bomba de insulina que ofrece insulina de acción rápida y un algoritmo de control que utiliza los datos CGM para ordenar que la bomba aumente, disminuya o suspenda la entrega de insulina.

¿Cuáles son los sensores biodegradables?

Los sensores biodegradables son dispositivos implantables o desgastados construidos a partir de materiales que pueden descomponerse en subproductos inofensivos después de haber servido a su propósito.En el contexto de sistemas de páncreas artificiales, un sensor biodegradable funcionaría idealmente como un CGM durante un período definido, semanas o meses, y luego se degradaría en sustancias que el cuerpo pueda metabolizar o excretar.

Principales candidatos para sensores de glucosa biodegradables

[LT] La fibrosis silmática es una proteína derivada de los cocoones de seda. Es biocompatible, mecánicamente robusto, y puede ser procesado en películas finas o hidrogeles que albergan enzimas sensibles a la glucosa o nanopartículas. Los sensores basados en seda pueden adaptar a la degradación durante semanas a meses ajustando las condiciones de procesamiento. [LT]

Integrando sensores biodegradables en el páncreas artificial

El tratamiento de células de biodifusión (en inglés) se puede utilizar en el sistema de microdifusión de la energía de la célula, y se puede utilizar en el sistema de microdifusión.

Arquitectura del sistema potencial

  • ] matriz de sensores biodegradables subcutánea: Un pequeño parche flexible colocado bajo la piel que contiene múltiples elementos de sensor de glucosa, cada uno con un tiempo de degradación ligeramente diferente para proporcionar cobertura continua.
  • Celda biocombustible biocombustible: Convierte la glucosa y el oxígeno en la electricidad para alimentar el sensor y un pequeño transmisor. La célula de combustible también se degrada después de que su salida de energía disminuye.
  • Etiquetas inalámbrica transitoria: Un circuito hecho de magnesio y seda que transmite datos de glucosa a un receptor externo. La etiqueta puede diseñarse para disolver cuando se moja o después de un período de set.
  • ]Relé y controlador externo: Un dispositivo portátil (por ejemplo, un reloj inteligente o una bomba) que recibe los datos del sensor, ejecuta el algoritmo de cierre cerrado y ordena la bomba de insulina.

Beneficios clínicos y ambientales

Los sensores biodegradables ofrecen varias ventajas sobre sensores permanentes o repetidamente reemplazados:

  • Eliminación de los procedimientos de recuperación de sensores. Debido a que el sensor se disuelve, no es necesario una segunda cirugía para eliminarlo, reduciendo el riesgo de infección y cicatrización. Esto es particularmente beneficioso para los pacientes pediátricos que pueden requerir muchos reemplazos de sensores durante toda la vida.
  • Residuos médicos reducidos. Cada sensor CGM no degradable contribuye a los residuos agudos y los desechos electrónicos. Un sensor biodegradable que se convierte en CO2, agua y minerales reduce drásticamente esta carga ambiental. Organización Mundial de la Salud ha destacado el creciente problema de los residuos médicos y la sostenibilidad biodegrada.
  • ]Mejorada comodidad y cumplimiento del paciente. Un sensor de más tiempo que no requiere inserción semanal puede reducir el dolor, la inconveniencia y la irritación de la piel asociada a cambios frecuentes de sensores. Algunos pacientes desarrollan reacciones alérgicas a parches adhesivos; un sensor biodegradable puede usar un bioadhesivo derivado de chitosan o alginato que es menos irritante.
  • ]Potencial para un control más profundo del tejido. Debido a que el sensor no necesita ser removido, se puede implantar en tejidos que no se pueden acceder fácilmente para un reemplazo frecuente, permitiendo la medición de la glucosa en sitios alternativos (por ejemplo, intramuscular o en la cavidad peritoneal).
  • menor costo de cuidado a largo plazo. Aunque la investigación inicial y la fabricación pueden ser costosos, un sensor biodegradable implantable único que dura varios meses podría ser más barato que docenas de sensores desechables durante el mismo período, especialmente cuando se observan visitas clínicas reducidas para la formación de inserción de sensores.

Desafíos actuales y obstáculos técnicos

A pesar de la promesa, se deben superar varios obstáculos importantes antes de que los sensores biodegradables puedan utilizarse en dispositivos de páncreas artificiales:

Estabilidad y precisión del sensor a lo largo de la vida

El principal reto es mantener lecturas de glucosa precisas durante todo el período funcional, especialmente cuando el sensor comienza a degradarse.Como el material se corroe o descompone, las propiedades electroquímicas cambian, lo que conduce a la deriva en la calibración.Las CGM actuales requieren calibración cada pocas horas o días utilizando lecturas de glucosa en sangre de los dedos; un sensor biodegradante necesita un mecanismo o un período estable largo para ser aceptable

Biocompatibilidad y respuesta del cuerpo extranjero

Incluso los materiales biodegradables pueden desencadenar una respuesta inmune. El cuerpo puede encapsular el sensor en una cápsula fibrosa, aislándolo del fluido intersticial y causando pérdida de señal. Los investigadores están recubriendo sensores con recubrimientos inmunomoduladores (por ejemplo, con dexamethasone-releasing PLGA) para suprimir la reacción del cuerpo extranjero.

Power and Wireless Communication

El sensor de energía de Zúrich no es trivial. Las células de biocombustibles que cosechan glucosa tienen una potencia limitada (en el orden de microvatios por centímetro cuadrado), que puede no ser suficiente para la transmisión inalámbrica continua. Los investigadores están investigando el almacenamiento de energía mediante supercapaciadores biodegradables fabricados con nanotubos de carbono y celulosa, que pueden almacenar energía para permitir las baterías intermitentes de transmisión.

Fabricación y escalabilidad de costes

La producción de sensores biodegradables con propiedades consistentes a escala comercial es difícil. Muchos de los materiales (por ejemplo, fibroína de seda) provienen de productos naturales con variabilidad de lote a lo par. Los procesos de fabricación de piezas limpias deben adaptarse para manejar componentes biodegradables sin degradarlos durante el montaje.La viabilidad económica de sensores biodegradables versus sensores desechables establecidos depende del costo de los materiales biocompatibles

Hurdles regulatorios

Las agencias reguladoras, incluyendo la FDA y EMA, no han establecido todavía una vía clara para la electrónica médica biodegradable. Los productos combinados que implican tanto un medicamento (por ejemplo, recubrimiento antiinflamatorio) y un dispositivo requieren presentaciones más complejas. Los productos de degradación deben ser probados a largo plazo, y el rendimiento del sensor debe ser equivalente o mejor que los CGM existentes.

Future Directions and Ongoing Research

Varias líneas de investigación emocionantes podrían acelerar la transición a sensores biodegradables para sistemas de páncreas artificiales:

  • Los sensores multiplásicos que miden la glucosa junto con otros biomarcadores (por ejemplo, cetonas, lactate) podrían proporcionar una imagen metabólica más completa. Utilizando la misma plataforma biodegradable, los investigadores de ]TU Darmstadt han fabricado arrays que detectan simultáneamente la glucosa y p
  • Los hidrogeles inteligentes que se hinchan o cambian de color en respuesta a la glucosa pueden actuar como sensores ópticos que no requieren electricidad. Estos pueden ser leídos por una fuente de luz externa cercana a infrarroja, eliminando la necesidad de electrónica implantada en conjunto.
  • Cerrar el tiempo de biodegradación] – diseñar sensores que se degradan a una tasa controlada para que se puedan implantar múltiples sensores de manera escalonada, asegurando una cobertura continua como una degradación y la siguiente se activa.
  • algoritmos de aprendizaje de la maquinaria que pueden interpretar datos de un sensor degradante y compensar la deriva de la señal podría ampliar la vida útil del sensor incluso cuando comienza a descomponerse.
  • La integración con parches microneedles que se disuelven completamente, permitirían una inserción indolorosa y luego desaparecerían, sin dejar rastro.

El camino hacia la adopción clínica

Mientras que la visión de un sensor de páncreas artificial totalmente biodegradable está todavía a años, se está haciendo un progreso incremental. La aplicación más probable a corto plazo es un CGM biodegradable que dura 2-4 semanas y reemplaza los sensores desechables actuales, mientras que todavía está conectado inalámbricamente a un transmisor externo. Eso solo reduciría la frecuencia de de desperdicios e inserción.

  1. Demostración de la detección estable de glucosa durante al menos 30 días en un modelo animal grande.
  2. Desarrollo de un enlace de datos inalámbrico y biodegradable que cumpla con los estándares de comunicación de grado médico (por ejemplo, Servicio de Comunicación de Implantes Médicos).
  3. Ensayos humanos de la fase I para confirmar la biocompatibilidad y no tener efectos adversos en la degradación.
  4. Ensayos piviéticos que comparan el sistema de páncreas biodegradables con un sistema de cierre cerrado estándar en términos de tiempo-in-range y seguridad.

Conclusión

Los sensores biodegradables representan una frontera en la tecnología de la diabetes que se alinea con el mayor impulso hacia dispositivos médicos sostenibles y amigables con el paciente. Al eliminar las absorciones quirúrgicas, reducir los desechos y potencialmente permitir implantes a largo plazo, podrían mejorar la calidad de vida de millones de personas con diabetes tipo 1. Los desafíos son sustanciales, pero la convergencia de la ciencia de materiales, la bioelectrónica y el control algorítmico no se acercan automáticamente a la próxima investigación y manufactura.