مواد و سنسورها برای عملکرد پانکراس مصنوعی بهبود یافته

مقدمه: مرز بعدی در مراقبت های دیابت خودکار

پانکراس مصنوعی که به عنوان یک سیستم تحویل انسولین حلقه بسته نیز شناخته می شود، مدیریت دیابت نوع 1 را با خودکار کردن کار پیچیده حفظ سطح گلوکز خون در محدوده هدف تغییر داده است، در حالی که این سیستم ها یک مانیتور گلوکز مداوم (CGM)، یک پمپ انسولین و یک الگوریتم کنترل گلولوژیک را که محاسبه و انسولین بدون مداخله دائمی کاربر را ارائه می دهد، ترکیب کرده اند.

این مقاله مواد نوظهور و سنسورهای پیشرفته را بررسی می کند که موج بعدی نوآوری پانکراس مصنوعی را هدایت می کنند.ما بررسی می کنیم که چگونه هیدروژل های جدید، نانومواد و پلیمرهای هوشمند، قابلیت زیست محیطی و پاسخگویی را افزایش می دهند، در حالی که نسل بعدی متخصصان آنزیمی و سنسورهای غیر آنزیمی مرزهای دقت و ثبات را تقویت می کنند. ما همچنین درباره چالش های ادغامی که باید به طور کامل به بیماران نزدیک شوند و با درک دقیق تر از این دستگاه های بیمار و توسعه های شخصی تر، و توسعه یافته های دارویی، با توجه کنیم، می توانیم از این سیستم های دارویی و توسعه های فردی، درک دقیق تر، و توسعه یافته های دارویی، بحث کنیم.

مواد نوظهور در تکنولوژی Pancreas مصنوعی

مواد مورد استفاده در اجزای مصنوعی پانکراس - غشای سنسور، مخازن انسولین، کاتترها و رابط های ایمپلنت - به طور مستقیم بر طول عمر دستگاه تأثیر می گذارند، بیوکومپاتی و دقیق تحویل مواد سنتی تحویل دارو اغلب باعث واکنش های بدن خارجی می شوند، که منجر به حرکت سنسور، تخلیه و کاهش عملکرد در طول زمان می شود.

هیدروگل: عایق بندی سازگار با Biodaptive Encapsulation and Control Release

هیدروگل ها سه بعدی، شبکه های پلیمری متصل شده هستند که می توانند مقدار زیادی آب را حفظ کنند در حالی که حفظ یکپارچگی ساختاری، محتوای آب بالا و خواص مکانیکی تنبل آنها را برای سنسورهای گلوکز و انسولین کاهش می دهد (به طور واقعی با تقلید از بافت طبیعی گلوکز، گلیسرید پاسخ ایمنی که به طور معمول منجر به فیبروز و خرابی سنسور می شود، محققان تولید شده اند (F جذب طول عمر).

پیشرفت های اخیر شامل هیدروژل های تزریقی است که فرم (FLT:0) در situ، به حداقل رساندن تروما جراحی و هیدروژل های هیبریدی که نانوذرات را برای حساسیت بیشتر ترکیب می کنند، این مواد برای استفاده در سیستم های پانکراس مصنوعی کاملاً ایمپلنت شده مورد بررسی قرار می گیرند که در آن ثبات طولانی مدت و حداقل ایمنی ضروری هستند.

نانومواد: افزایش حساسیت و قابلیت دور بودن

نانو مواد - از جمله نانولوله های کربنی، گرافن، نانوذرات فلزی و نانوسیم ها - نسبت های سطح استثنایی - به حجم و خواص الکتروشیمیایی منحصر به فرد که به طور چشمگیری بهبود عملکرد سنسور در سنسورهای گلوکز 1، نانو مواد افزایش انتقال الکترون بین آنزیم و الکترود، افزایش حساسیت و تشخیص در غلظت های گلوکز پایین تر، به عنوان مثال، گراف پلاتین در مقایسه با چگالی فعلی نشان داده شده است.

نانو مواد همچنین استحکام مکانیکی پوشش های سنسور را بهبود می بخشد. غشای نانوکومنیت که پلیمر ها را با نانولوله های کربنی ترکیب می کند یا نانوذرات سیلیکا مقاومت پارگی افزایش یافته و تورم را کاهش می دهد، که کالیبراسیون سنسور را در طول هفته های استفاده مداوم، علاوه بر این، آرایه های نانوسیم می تواند مهندسی شود تا چندین ضداتیک را به طور همزمان تشخیص دهد - به عنوان گلوت، اسکن و نظارت دقیق تر از تشخیص مداوم اسید، تشخیص مداوم اسید، به طور مداوم.

پلیمرهای هوشمند: Adaptive انسولین Delivery

پلیمرهای هوشمند، که به عنوان پلیمرهای محرک- پاسخگو شناخته می شوند، تغییرات برگشت پذیر در خواص فیزیکی یا شیمیایی خود را در پاسخ به محرک های محیطی خاص مانند pH، دما، غلظت گلوکز یا فعالیت آنزیمی انجام می دهند.در زمینه پانکراس مصنوعی، پلیمرهای هوشمند به گلوکز به ویژه امیدوار کننده هستند. این سیستم ها معمولاً شامل آنتی اکسیدان های گلوکز یا گروه های اسید phenyltic هستند؛ هنگامی که سطح گلوکز، افزایش می یابد، یا انتقال پلیمر، یا تغییرات مخزن را از یک پیوند می دهد.

محققان پچ های میکرونیازی گلوکز را از پلیمرهای هوشمند ایجاد کرده اند که بدون نیاز به پمپ یا کاتتر (FLT:0) از انسولین های هوشمند که بدون درد به انسولین منتقل می شوند، بدون نیاز به پمپ یا کاتتر (FLT: 2020) انسولین تحویل انسولین، این پچ ها را می توان برای مدت طولانی استفاده کرد و پیچیدگی های مکانیکی از ترکیبات سنتی را حذف می کنند.

پیشرفت در تکنولوژی سنسور

نظارت مستمر گلوکز ستون فقرات حسی از هر گونه دقت سنسور مصنوعی، تاخیر، حرکت و طول عمر به طور مستقیم کیفیت کنترل گلیسمیک را تعیین می کند. فن آوری های سنسور نوظهور این پارامترها را از طریق روش های جدید انتقال، بهبود ثبات آنزیم و مواد جدید به آن می رسانند.

سنسور های Glucose آنزیمی: افزایش ثبات و دقت

سنسورهای آنزیمی که از پراکسید یا گلوکز dehydrogenase استفاده می کنند، به دلیل تخصص بالا، استاندارد صنعت باقی می مانند. نوآوری های اخیر بر تکنیک های بی حرکت تمرکز می کنند که فعالیت آنزیم را برای دوره های طولانی تر حفظ می کنند.به عنوان مثال، کپسول آنزیم در داخل mesoporous سیلیکا یا چارچوب های آلی فلزی (MOFs) در برابر denaturation و مطالعه alaching محافظت می کنند که بیش از 30 روز کامپوزیت مداوم آن را حفظ کرد.

علاوه بر این، معماری سنسور جدید تأخیر بین تغییرات گلوکز بین رحم و تغییرات قند خون را کاهش می دهد - یک عامل حیاتی برای الگوریتم های حلقه بسته - میکروفلوئیدیک که مایع بین المللی را به تماس سریع با لایه آنزیم می دهد می تواند به زمان تاخیر در کمتر از 5 دقیقه، در مقایسه با نمونه های معمول 10 تا 15 دقیقه CGMs معمولی، برخی از نمونه های اولیه اکنون ترکیب میکرونیازی که به سرعت کاهش این الگوریتم های اتصال مایع را قادر می سازد.

یک روند در حال ظهور استفاده از انواع پودر گلوکز مهندسی شده با ثبات حرارتی بهبود یافته و مقاومت در برابر مهار کننده ها است. تکنیک های تکامل هدایت شده آنزیم هایی را تولید کرده اند که فعالیت در دمای بدن را برای ماه ها حفظ می کنند و به یکی از حالت های اصلی شکست سنسور های سنتی اشاره می کنند.

سنسورهای غیر آنزیمی: غلبه بر محدودیت های آنزیمی

سنسورهای آنزیمی، در حالی که موثر است، از محدودیت های ذاتی رنج می برند: آنزیم ها پروتئین هایی هستند که می توانند در طول زمان از بین بروند، نیاز به pH دقیق و شرایط دما دارند و برای تولید، سنسورهای غیر آنزیمی از نانو مواد نانوی برای اکسیداسیون مستقیم الکتروشیمیایی گلوکز استفاده می کنند.برای مثال، نانوسیم های اکسید مس، نانوسیم های هیدروکسید نیکل، و نانوالکترونیک پلاتینی حساسیت بالا در تشخیص و ثابت شده است.

سنسورهای غیر آنزیمی ممکن است زندگی قفسه بهبود یافته، کاهش حرکت کالیبراسیون و هزینه کمتر را ارائه دهند، با این حال، چالش ها در دستیابی به انتخاب در برابر گونه های مداخله مانند اسید اوریک و اسید اسکوربیک، کار اخیر با استفاده از پلیمر های مولکولی اثر می کند و یا غشای انتخابی 60μ در انتخاب بهبود قابل توجهی نشان داده است. A سنسور غیر کلامی بر اساس اسید متخلخل نیکلی (F ثابت شده است که بیش از حد تشخیص پایدار است.

یکی دیگر از روش های نوآورانه از سنسورهای ترانزیستور اثرات میدان (FET) با کانال های گرافن با مولکول های حاوی گلوکز استفاده می کند، این سنسورها بدون هیچ گونه واکنش های قرمز کار می کنند، نیاز به الکترودهای مرجع و ساده سازی ساخت. FET-based non-enzymatic سنسورها زمان پاسخ زیر ثانیه و توانایی اندازه گیری گلوکز در اشک و دهان، باز کردن امکانات برای نظارت غیر تهاجمی را نشان داده اند.

سنسور های قابل حمل و نگهداری: طراحی داخلی کم

راحتی و انطباق کاربر محرک های اصلی پذیرش پانکراس مصنوعی است. سنسورهای پوشیدنی از دستگاه های بزرگ، مزاحم به پچ های کوچک که می توانند بر روی بازو، شکم یا حتی لنزهای تماسی پوشیده شوند، تکامل یافته اند. تکنیک های میکروساختگی از ادغام الکترود، میکروسیک ها و ارتباطات بی سیم در بستر های انعطاف پذیر، این سنسورها اغلب چسب های سازگار و ناراحتی های الکترونیکی کم را برای به حداقل رساندن تحریک پوست و کاهش می دهند.

سنسورهای قابل ایمپلنت پتانسیل عمل بدون دست را ارائه می دهند. [۷] ایمپلنت های پوستی که می توانند برای ماه ها بدون جایگزینی کار کنند، با استفاده از مواد مشابه و روش های تثبیت آنزیم که قبلا توصیف شده اند، یک چالش برای سنسورهای قابل کاشت، مدیریت قدرت است؛ انتقال انرژی بی سیم و الکترونیک کم انرژی مناطق تحقیقاتی هستند.

سنسورهای مبتنی بر میکرونیدل یک زمین میانی بین پوشیدنی و قابل ایمپلنت را نشان می دهند: آنها تنها به بیرونی ترین لایه های پوست (استریم) برای دسترسی به مایع بین المللی نفوذ می کنند، اما می توانند به راحتی توسط بیمار جایگزین شوند.

چالش های ادغام و راه حل ها

انتقال پیشرفت های آزمایشگاهی به سیستم های تجاری پانکراس نیاز به حل چالش های ادغام مربوط به پردازش سیگنال، سازگاری الگوریتم و قابلیت اطمینان در سطح سیستم دارد، حتی دقیق ترین سنسور اگر سیگنال آن با سر و صدا خراب شود یا اگر الگوریتم کنترل نمی تواند فرمت داده های جدید را کنترل کند، بی فایده است.

پردازش سیگنال و Data Fusion

سنسورهای نوظهور، به ویژه سنسورهای غیر آنزیمی و نانو مواد، اغلب سیگنال هایی تولید می کنند که غیر خطی هستند یا نیاز به منحنی های کالیبراسیون پیچیده دارند. تکنیک های پردازش سیگنال دیجیتال پیشرفته - مانند فیلترهای Kalman و الگوریتم های یادگیری ماشین آلات وابسته به یادگیری - برای استخراج سیگنال گلوکز واقعی به کار گرفته می شوند.

روش های همجوش داده که ترکیبی از ورودی های سنسور چندگانه (به عنوان مثال، گلوکز به علاوه شیردهی یا ضربان قلب) می تواند دقت بیشتری را بهبود بخشد.استفاده از یک آرایه اضافی از سنسورها با مکانیسم های مختلف برش (به عنوان مثال، آنزیمی و غیر آنزیمی) و رد کردن خروجی آنها از طریق روش های zi می تواند تخمین های قوی گلوکز حتی اگر یک سنسور یا حرکت نتواند ارائه دهد.

الگوریتم Adaptation برای سنسورهای پیشرفته

الگوریتم های کنترل سنتی، مانند PID (proportional-integral-derative) کنترل کننده ها، یک پاسخ سنسور قابل پیش بینی را فرض کنید. دینامیک سنسور جدید – پاسخ سریع تر، الگوهای مختلف حرکت – ممکن است نیاز به تغییرات یا استراتژی های کنترل کاملا جدید داشته باشد. الگوریتم های کنترل پیش بینی (MPC) که یک مدل خاص بیمار از پویایی گلوکز-استولین به خوبی برای کنترل این تغییرات زمان و تجزیه و تحلیل الگوریتم های فردی است.

برای سیستم های هورمون دوگانه، الگوریتم ها باید به طور همزمان انسولین و تزریق گلوکاگون را کنترل کنند و نیاز به عملکرد های پیچیده تر و محدودیت های ایمنی دارند. الگوریتم های پیشرفته که الگوهای غذایی و روتین های ورزشی را یاد می گیرند در مطالعات بالینی آزمایش می شوند، کاهش نیاز به ورودی کاربر و نزدیک شدن به عملیات حلقه ای به طور کامل بسته است.

قابلیت اطمینان و قابلیت اطمینان طولانی مدت

علی رغم پیشرفت در هیدروژل ها و پلیمرهای هوشمند، کاشت طولانی مدت اجزای مصنوعی پانکراس هنوز با چالش هایی مواجه است که با مهار فیبروس و روش های ترکیب شده که داروهای ضد التهابی را آزاد می کنند یا سلول های ایمنی تنظیم کننده را استخدام می کنند، مواد زیست شناختی که به تدریج جایگزین بافت میزبان می شوند ممکن است عمر عملکردی را در حالی که کاهش پاسخ بدن خارجی را افزایش دهند، افزایش دهند.

سیستم های میکرو الکترومکانیکی (MEMS) در حال حاضر برای ساخت سنسورهای و پمپ های فوق العاده ای که آسیب بافت را بر روی ایمپلنت به حداقل می رسانند، استفاده می شود.به عنوان مثال، یک پمپ انسولین مبتنی بر MEMS با حجم کمتر از 1 سانتی متر3 می تواند دوزهای دقیق نانو لیتر را تحویل دهد، کاهش نیاز به کاتتر های بزرگ که اغلب واکنش های بافت را تحریک می کنند.

مسیر های آینده و مدیریت دیابت شخصی

هدف نهایی تحقیقات پانکراس مصنوعی ایجاد سیستمی است که نه تنها تحویل انسولین را خودکار می کند بلکه با فیزیولوژی و شیوه زندگی منحصر به فرد هر فرد سازگار است.مواد نوظهور و سنسورها پایه ای برای این رویکرد شخصی سازی شده است.

سیستم های کاملاً بسته شده –Loop Systems

اکثر سیستم های پانکراس مصنوعی فعلی حلقه بسته هیبریدی هستند، به این معنی که آنها هنوز نیاز به پرخاش های غذایی کاربر محور دارند.سیستم های کاملا بسته که بوکبول های دستی را از بین می برند مرز بعدی هستند، این نیاز به انسولین های سریع تر، سنسورهای حساس تر و الگوریتم هایی دارد که قادر به پیش بینی جذب غذا و اثرات ورزشی هستند.

آزمایش های بالینی اخیر سیستم های حلقه کاملا بسته، نتایج امیدوار کننده ای را نشان داده اند، با گذشت زمان در محدوده بیش از ۷۰ درصد حتی بدون اطلاع از غذا، این سیستم ها اغلب از یادگیری ماشین پیشرفته برای پیش بینی زمان غذا و اندازه بر اساس الگوهای تاریخی، همراه با داده های سنسور زمان واقعی استفاده می کنند.

انسولین هوشمند و تحویل خودکار

فراتر از ادغام مواد، محققان در حال توسعه فرمول های " انسولین هوشمند" هستند که در بدن گردش می کنند و تنها زمانی فعال می شوند که گلوکز بالا باشد.این انسولین های پاسخگو به گلوکز می توانند در ارتباط با سنسورهای برای کاهش بار در پمپ ها و الگوریتم های کنترل استفاده شوند.

یک مفهوم امیدوار کننده ترکیبی از یک آنالوگ انسولین طولانی با پلیمر پاسخ گلوکز است که انسولین را تا زمانی که سطح گلوکز افزایش یابد، آزاد کردن آن به صورت محلی، چنین فرمول هایی می تواند به عنوان تزریق هفتگی به جای تزریق مداوم، به طور چشمگیری ساده سازی درمان تجویز شود.

تنظیم مقررات و دسترسی

از آنجا که مواد جدید و سنسورها وارد کارآزمایی های بالینی می شوند، مسیرهای نظارتی باید تعریف شوند. FDA دستورالعمل هایی برای سیستم های پانکراس مصنوعی ایجاد کرده و آنها را به روز می کند تا انواع سنسور جدید را در نظر بگیرند.تقاد این دستگاه های پیشرفته برای همه بیماران قابل دسترسی و مقرون به صرفه هستند.همکاری بین دانشگاه ها، صنعت و گروه های حمایت از بیمار برای سرعت بخشیدن به ترجمه ضروری است.

تجزیه و تحلیل اقتصادی نشان می دهد که سیستم های حلقه ای کاملا بسته می توانند مقرون به صرفه باشند اگر آنها عوارض بلند مدت را کاهش دهند، اما هزینه های جلو همچنان یک مانع باقی می ماند. تلاش برای توسعه سیستم های مدولار، سازگار با قابلیت است که به بیماران اجازه می دهد تا اجزای مختلف را با تولید کنندگان مختلف ترکیب و مطابقت دهند، به طور بالقوه کاهش هزینه ها از طریق رقابت و استانداردهای سازگاری.

نتیجه گیری

پانکراس مصنوعی در حال حاضر زندگی بسیاری از افراد مبتلا به دیابت را بهبود بخشیده است، اما پتانسیل کامل آن بسیار از مواد پانکراس شناخته شده است - هیدروگل ها، نانومواد و پلیمرهای هوشمند - باعث افزایش بی تحرکی، دقت سنسور و دقت تحویل در تکنولوژی، هم آنزیمی و هم غیر موضوعی، مرزهای ثبات حلقه را فشار می دهند، و سرعت یکپارچه سازی کاربر به طور کامل به سیستم های مهندسی طبیعی نزدیک تر می شود، اما سرعت توسعه پایدار را به طور کامل بسته است.