در طول دهه گذشته، درمان دیابت نوع 1 با سیستم های تحویل انسولین حلقه بسته تغییر یافته است، اغلب به نام دستگاه های پانکراس مصنوعی، این سیستم ها یک مانیتور گلوکز مداوم (CGM) را ترکیب می کنند و یک پمپ انسولین با یک الگوریتم که به طور خودکار تحویل انسولین را بر اساس خواندن گلوکز واقعی تنظیم می کند، در حالی که دستگاه های پانکراس فعلی به طور قابل توجهی کنترل گلیک را بهبود می بخشند و بار کاهش می دهند، هنوز هم باید به تجزیه و تجزیه و تحلیل دقیق از هر گونه سنسور جدید برای تجزیه و تحلیل شده برای کاهش دهند و تجزیه و تحلیل شده و تحلیل مجدد آن ها اطمینان از آن استفاده کنند.

چگونه دستگاه های Pancreas مصنوعی امروز کار می کنند

یک دستگاه پانکراس مصنوعی، دقیق تر یک سیستم حلقه بسته هیبریدی را شامل سه جزء اصلی است: CGM که هر چند دقیقه اندازه گیری سطح گلوکز بین رشته ای را انجام می دهد، یک پمپ انسولین که انسولین سریع عمل می کند و یک الگوریتم کنترلی که از داده های CGM برای دستور پمپ برای افزایش، کاهش یا انتقال انسولین استفاده می کند، با این حال هدف محدود به اندازه سیستم های کنترل حداکثری است که هر دو مقدار از آن استفاده می کنند.

سنسور های زیست محیطی چیست؟

سنسورهای تجزیه و تحلیل شده دستگاه های قابل ایمپلنت یا پوشیدنی ساخته شده از مواد است که می تواند به محصولات بی ضرر پس از آنها هدف خود را، در زمینه سیستم های پانکراس مصنوعی، یک سنسور زیست محیطی به طور ایده آل به عنوان یک CGM برای یک دوره تعریف شده - به طور بالقوه هفته ها یا ماه - و سپس به موادی که بدن می تواند به طور ایمن متابولیزه یا دفع این مواد نیمه هادی برای کاهش تجزیه و تحلیل مواد آلی از مواد شیمیایی خاص استفاده می شود (به طور منظم از مواد شیمیایی غیر قابل کنترل شده است.

کاندیدهای کلیدی مواد برای سنسور های Bological Glucose

Silk فیبرین یک پروتئین از cocoons کرم ابریشم استخراج می شود، سازگار است، مکانیکی قوی است و می تواند به فیلم های نازک یا آنزیم های تزریقی تجزیه و تحلیل شده به عنوان آنزیم های حساس به گلوکز یا نانوذرات استفاده شود.

یکپارچه سازی سنسور های زیست شناختی به Pancreas مصنوعی

انتقال از CGM های فعلی به طور کامل سنسورهای تجزیه و تحلیل شده نیاز به تجدید نظر کل طراحی سنسور، عرضه برق و ارتباطات بی سیم.در حالی که مواد سنسور می تواند به خودی خود ساخته شده است بی زیست تخریب پذیر، با این حال، محققان متصل به انسولین، باتری - همچنین باید تجزیه و تحلیل شوند یا طراحی شده برای خارج از بدن باقی بمانند.

معماری سیستم بالقوه

  • آرایه سنسور زیست محیطی زیرزمینی: یک پچ کوچک و انعطاف پذیر که در زیر پوست حاوی عناصر متعدد گلوکز قرار می گیرد، هر کدام با زمان کمی متفاوت برای ارائه پوشش مداوم.
  • سلول سوخت زیستی زیست محیطی زیست محیطی زیست محیطی زیست محیطی زیست محیطی قابل تجزیه: [FLT 1] تبدیل گلوکز و اکسیژن به برق به برق سنسور و فرستنده کوچک است.سلول سوخت همچنین پس از کاهش تولید انرژی آن کاهش می یابد.
  • برچسب بی سیم ترانسی گذرا: مدار ساخته شده از منیزیم و ابریشم که داده های گلوکز را به گیرنده خارجی منتقل می کند، برچسب می تواند برای حل و فصل زمانی که مرطوب یا بعد از یک دوره تنظیم شده طراحی شده است.
  • رله و کنترل کننده خارجی: یک دستگاه پوشیدنی (به عنوان مثال، یک ساعت هوشمند یا پمپ) که داده های سنسور را دریافت می کند، الگوریتم حلقه بسته را اجرا می کند و به پمپ انسولین فرمان می دهد.

مزایای بالینی و زیست محیطی

سنسورهای زیست محیطی مزایای متعددی را نسبت به سنسورهای دائمی یا مکرر جایگزین می کنند:

چالش های فعلی و هردلس فنی

علی رغم وعده، چندین مانع مهم باید قبل از استفاده از سنسورهای زیست محیطی در دستگاه های پانکراس مصنوعی غلبه کنند:

ثبات سنسور و دقت در طول عمر

چالش اصلی حفظ دقیق خواندن گلوکز در طول کل دوره عملکردی است، به ویژه هنگامی که سنسور شروع به کاهش می کند، به عنوان مواد corrodes یا تجزیه، تغییر خواص الکتروشیمیایی، منجر به حرکت در مقیاس سنجی 1 - CLT فعلی نیاز به کالیبراسیون هر چند ساعت یا چند روز با استفاده از خواندن گلوکز خون کیست؛ یک سنسور تجزیه و تحلیل شده نیاز به یک مکانیسم ثابت است که یک دوره سنجش پایدار است.

قابلیت سازگاری و واکنش خارجی بدن

حتی مواد زیست شناختی می توانند یک پاسخ ایمنی ایجاد کنند.بدن ممکن است سنسور را در یک کپسول فیبروس قرار دهد، آن را از مایع بین المللی جدا کند و باعث از دست دادن سیگنال شود. محققان سنسورهایی با پوشش های تنظیم کننده ایمنی (به عنوان مثال، با dexametone-reating PLGA) برای سرکوب واکنش بدن خارجی دارند.

قدرت و ارتباطات بی سیم

قدرت یک سنسور زیست محیطی غیر قابل تجزیه است سلول های سوخت زیستی که گلوکز برداشت می کنند، خروجی قدرت محدود (به ترتیب میکرووات در سانتی متر مربع) است که ممکن است به اندازه کافی برای انتقال بی سیم مداوم نیست؛ محققان در حال بررسی ذخیره سازی انرژی با استفاده از superLTaciator های تجزیه و تحلیل شده از نانولوله های کربنی و سلولز هستند که می تواند انرژی را ذخیره کند تا جایگزین انتقال متناوب را از طریق یک سنسور بی سیم تجزیه و تحلیل کند.

تولید و هزینه مقیاس پذیری

تولید سنسورهای زیست محیطی با خواص ثابت در مقیاس تجاری چالش برانگیز است. بسیاری از مواد (به عنوان مثال، ابریشمbroin) از محصولات طبیعی با تنوع نمونه به سبد خرید (فرآیندهای ساخت تمیز اتاق باید سازگار با اجزای تجزیه و تحلیل شده بدون درجه بندی آنها در طول مونتاژ. امکان سنجی اقتصادی سنسور های زیست شناختی در مقابل سنسورهای ثابت شده بستگی به همکاری های ضروری و قطعات صنعت مانند تجهیزات صنعت.

تنظیم مقررات Hedles

آژانس های نظارتی، از جمله FDA و EMA، هنوز یک مسیر روشن برای محصولات الکترونیکی تجزیه و تحلیل شده پزشکی ایجاد نکرده اند که شامل هر دو دارو (به عنوان مثال، پوشش ضد التهابی) و یک دستگاه نیاز به ارائه خدمات پیچیده تر دارد. محصولات تخریب باید در طول طولانی مدت ایمن باشند و عملکرد سنسور باید معادل یا بهتر از آزمایش های اولیه CGM باشد که ممکن است برای سایر سنسورهای تجزیه و تحلیل بالینی انجام شود (برای مثال، ممکن است عملکرد تجزیه و تحلیل گران تجزیه و تحلیل گران باشد).

مسیر های آینده و تحقیقات مداوم

چندین خط هیجان انگیز تحقیق می تواند انتقال به سنسورهای زیست محیطی برای سیستم های پانکراس مصنوعی را تسریع کند:

  • سنسورهای چند منظوره که گلوکز را همراه با دیگر نشانگرهای زیستی اندازه گیری می کنند (به عنوان مثال، کتون ها، lactate) می توانند یک تصویر متابولیک کامل تر را با استفاده از همان پلت فرم تجزیه و تحلیل، محققان در TU Darmstadt دارای آرایه های ساختگی است که به طور همزمان گلوکز و pH را تشخیص می دهند.
  • هیدروژل های هوشمند که در پاسخ به گلوکز تورم یا تغییر رنگ می کنند می توانند به عنوان سنسورهای نوری عمل کنند که نیازی به برق ندارند.این ها می توانند توسط یک منبع نور مادون قرمز خارجی خوانده شوند و نیاز به وسایل الکترونیکی کاشته شده را به طور کامل حذف کنند.
  • زمان بندی زیستی حلقه از دست رفته - طراحی سنسورهای که با سرعت کنترل شده تجزیه می شوند تا سنسورهای متعدد را می توان به شیوه ای فشرده سازی شده، اطمینان از پوشش مداوم به عنوان یک degrades و بعدی فعال شود.
  • الگوریتم های یادگیری ماشین که می تواند داده ها را از یک سنسور درجه بندی تفسیر کند و حرکت سیگنال را جبران کند می تواند زندگی قابل استفاده از سنسور را حتی زمانی که شروع به شکستن کند، گسترش دهد.
  • [در این باره] [و] [از این رو] با استفاده از تکه های کوچک که به طور کامل حل می شوند، این اجازه می دهد که بدون درد وارد شوند و سپس ناپدید شوند، و هیچ اثری از آن باقی نمی ماند.

مسیر پذیرش بالینی

در حالی که چشم انداز یک سنسور کاملاً زیست پذیر مصنوعی هنوز سالها دور است، پیشرفت فزاینده ای در حال انجام است.به احتمال زیاد نزدیک به مدت یک برنامه تجزیه و تحلیل شده CGM است که برای 2 تا 4 هفته طول می کشد و جایگزین سنسورهای قابل مصرف فعلی می شود، در حالی که هنوز به طور بی سیم به یک فرستنده خارجی متصل است که به تنهایی ضایعات و فرکانس بعدی کاهش می یابد.

  1. نشان دادن سنجش گلوکز پایدار برای حداقل 30 روز در یک مدل بزرگ حیوانی.
  2. توسعه یک لینک داده بی سیم و تجزیه و تحلیل شده که مطابق با استانداردهای ارتباطی پزشکی (به عنوان مثال، خدمات ارتباطات ایمپلنت پزشکی) است.
  3. فاز من آزمایش های انسانی برای تأیید بی طرفی و هیچ گونه اثرات تخریب نامطلوب.
  4. کارآزمایی های بنیادی مقایسه سیستم پانکراس مصنوعی تجزیه و تحلیل شده به یک سیستم حلقه بسته استاندارد از نظر زمان در برد و ایمنی.

نتیجه گیری

سنسورهای زیست محیطی نشان دهنده یک مرز در تکنولوژی دیابت است که با فشار گسترده تر به سمت دستگاه های پزشکی پایدار و بیمار سازگار است.با حذف حذف جراحی، کاهش زباله و به طور بالقوه قادر به کاشت طولانی مدت، آنها می توانند کیفیت زندگی را برای میلیون ها نفر از افراد مبتلا به دیابت نوع 1 بهبود بخشد، چالش های قابل توجه است، اما همگرایی مواد علمی، بیولوژیکی، و الگوریتم الکترونیکی کنترل خودکار این امکان را فراهم می کند، نه تنها به عنوان یک مقیاس های بعدی تولید، بلکه ادامه می دهد.