فناوری نانو، دستکاری ماده در مقیاس اتمی و مولکولی (معمولا 1 تا 100 نانومتر) آماده است تا تشخیص های پزشکی و درمان را انقلابی کند.در مدیریت دیابت، موثرترین کاربرد حلقه ممکن است در پالایش مانیتورهای پیوسته گلوکز شیمیایی (CGMs) که هسته سنسور سیستم های پانکراس مصنوعی را با بهره برداری از اثرات منحصر به فرد کوانتومی و نسبت شدید سطح به اندازه گیری مواد اولیه، بررسی می کند که چگونه می تواند به طور چشمگیری محدودیت های ترجمه بالینی بسته را افزایش دهد.

Pancreas مصنوعی: سیستم بسته-Loop برای مدیریت دیابت

یک پانکراس مصنوعی (یا سیستم تحویل انسولین حلقه بسته) متشکل از سه جزء محکم یکپارچه است: یک مانیتور گلوکز مداوم (CGM)، پمپ انسولین و یک الگوریتم کنترل. CGM هر چند دقیقه سطح گلوکز بین المللی را اندازه گیری می کند، انتقال داده ها به طور بی سیم به الگوریتم، که دوز و دستورالعمل های مناسب انسولین را برای ارائه آن محاسبه می کند.

موفقیت این حلقه تقریبا به طور کامل بر دقت سنسور متکی است، حتی یک خطای 5٪ در خواندن گلوکز می تواند منجر به بیش از حد یا کمتر از حد انسولین شود، به این معنی که پیش بینی هیپوگلیسمی خطرناک (با قند خون پایین) یا هیپرگلیسمی طولانی مدت ( قند خون بالا) جلوگیری می کند، مانند کسانی که از Dexcom و ابوت، از سنسورهای الکتروشیمیایی استفاده می کنند که از الکترود سطح (کره ای که هنوز به طور چشمگیری از آنزیم های غلظت هیدروژن استفاده می کند) در حال حرکت می کند (آن جلوگیری می کند.

محدودیت های احتمالی سنسور Glucose Conventional

علی رغم استفاده گسترده از آنها، سنسورهای CGM موجود توسط چندین تنگنا عملکرد محدود می شوند:

  • مداخله و حرکت ؛ ترکیبات الکتروفعال مانند استامینوفن، اسید کوربیک، و اسید اوریک می تواند جریان های تحریک کننده را در طول زمان، خروجی سنسور به دلیل تخریب آنزیم، تغییرات pH محلی، یا بیوخش - تجمع پروتئین ها و سنسور سطح ایجاد کند.
  • حساسیت و محدوده تشخیص (: در سطوح گلوکز بسیار پایین (به عنوان مثال، در طول هیپوگلیسمی) سیگنال سنسور می تواند غیر خطی، دقت به خطر انداختن زمانی که آن را به طور مشابه، در سطح گلوکز بالا واکنش ممکن است اشباع شود.
  • زمان Lag : گلوکز بین ترم تا 5 تا 15 دقیقه پشت گلوکز خون می ایستد، در حالی که به طور مستقیم توسط نانومواد حل نمی شود، پاسخ سنسور سریع تر می تواند اثر این تاخیر را بر الگوریتم های کنترل کاهش دهد.
  • کوتاه مدت عمر عملیاتی : سنسورهای فعلی باید هر 7 تا 14 روز به دلیل فعال سازی آنزیم، کپسوله بافت و تخریب الکترود جایگزین شوند.
  • وابستگی به طالبان : بسیاری از CGM هنوز نیاز به کالیبراسیون های جدول زمانی برای اصلاح حرکت، شکست هدف یک سیستم کاملا خودکار و مستقل کاربر.

فناوری نانو: اصول و خواص منحصر به فرد برای سنسور های پزشکی

فناوری نانو از خواص فیزیکی و شیمیایی متمایزی بهره می برد که وقتی مواد به مقیاس نانومتر کاهش می یابد، این خواص برای بی حسی ایده آل هستند:

  • نسبت سطح بالا به حجم : نانوذرات، نانوسیم ها و ورق های گرافن مناطق سطح عظیمی برای آنزیم سازی بی حرکت فراهم می کند، به طور چشمگیری افزایش تعداد سایت های کاتالیتیک و در نتیجه سیگنال.
  • سلول کوئینوم : در نیمه هادی هایی مانند نقاط کوانتومی، بانداگap به اندازه وابسته می شود، و تنظیم دقیق از خواص نوری و الکترونیکی را فراهم می کند.
  • فعالیت کاتالیاتیک (FLT:1): نانوذرات فلزی (gold، پلاتین، پالادیوم) و اکسید فلز ( اکسید فلزی، اکسید نیکل) فعالیت الکتروکاتاتیک برتر برای اکسیداسیون گلوکز را نشان می دهد، اجازه می دهد که سنجش غیر آنزیمی که از denaturation آنزیم جلوگیری می کند.
  • حمل و نقل الکترونی استثنایی: نانولوله های کربنی و گرافن تحرک الکترون بالستیک را ارائه می دهند، تسهیل انتقال مستقیم الکترون بین سایت فعال آنزیم و الکترود - ایجاد نیاز به واسطه های سرخ مصنوعی که می توانند سم را از بین ببرند و باعث سمیت شوند.

این خواص مهندسان را قادر می سازد تا سطوح سنسور را طراحی کنند که با حساسیت بی نظیر کار می کنند، به عنوان مثال، یک نانولوله کربن تک دیواره ای که با GOx کار می کند می تواند گلوکز را به عنوان کم به اندازه چند میکرومول، به مراتب کمتر از محدوده فیزیولوژیکی (3.9-7.8 متر)، ارائه یک محدوده دینامیکی و حداقل سر و صدا تشخیص دهد.

چگونه فناوری نانو دقت سنسور مصنوعی Pancreas را افزایش می دهد

نانو مواد برای تشخیص مستقیم و کاتالیز

یکی از برنامه های مستقیم جایگزین تشخیص آنزیمی با سنسورهای غیر آنزیمی بر اساس نانوذرات فلزی یا اکسید فلز است. نانوذرات طلا (AuNPs) به ویژه امیدوار کننده هستند: آنها می توانند به طور مساوی از طریق سنسورهای الکتروکسیتیک از گلوکز بدون آنزیم، هدایت عالی استفاده کنند و می توانند برای افزایش سطح سطح برای بارگیری آنزیم اگر مواد اکسید مس (O) دارای مقدار زیادی از مقادیر pH ثابت هستند، عملکرد کنند و نمی توانند با چندین واکنش های سطح قند طبیعی بالاتر از مقادیر زیادی از قند ثانیه کار کنند.

سنسورهای نوری همچنین از نانو ذرات طلا بهره مند می شوند که نشانگر مجدد فولزونی سطح محلی (LSPR) هستند – تغییرات رنگ آنها در هنگام جمع شدن یا زمانی که تغییرات شاخص محلی در اتصال گلوکز ایجاد شده است، محققان سنسورهای مبتنی بر LSPR را توسعه داده اند که می توانند گلوکز را در مایع بین مرزی اندازه گیری کنند، ارائه یک جایگزین به روش های الکتروشیمیایی که کمتر مستعد مداخله الکتریکی هستند.

انتقال الکترون و سیگنال Amplification

نانومواد کربن به تنگنا بحرانی انتقال الکترون در سنسورهای آنزیمی اشاره می کنند.در یک سنسور معمولی GOx، سایت فعال آنزیم (flavin adenine Dinucleotide، FAD) عمیق در ساختار پروتئین GO دفن شده است، انتقال مستقیم الکترون به الکترود ناکارآمد است. مدخلاف مانند ferrocene یا پروس آبی برای انتقال الکترونی بالا (که به طور مستقیم با انتقال نانو لوله و انتقال مستقیم آن ها را نشان می دهد).

گرافن، چه به عنوان یک مونو لایه یا کاهش اکسید گرافن (rGO)، یک منطقه سطح فوق العاده بالا (به طور تئوری 2630 متر / g) و تحرک الکترون فوق العاده است. سنسورهای گلوکز مبتنی بر گرافن زمان پاسخ سریع (sub-ثانیه)، حساسیت بیش از 100μA / m μ2، و محدودیت های تشخیص به عنوان عملیات کم است - کمتر از 0.1μM برای عملکرد ایمن برای Cμ.

انتخاب بهتر و کاهش تداخل

فناوری نانو همچنین راه حل های پیچیده ای برای رد مواد مداخله کننده فراهم می کند.یک رویکرد برای رسوب یک غشای انتخابی متشکل از چارچوب های سیلیکا یا فلزی آلی (MOF) در الکترود است، این مواد نانو متخلخل اجازه می دهد فقط مولکول های کوچک (مانند گلوکز و اکسیژن) عبور کنند در حالی که مسدود کردن استراتژی الکتروactive بزرگتر تداخلات مولکولی دیگری (شکل مصنوعی) استفاده می کند، و دقیقاً نمی تواند آنها را با استفاده از قابلیت های شیمیایی پایدار (مانند ترکیب کند، و دقیق مخلوط کردن آنها را ایجاد کند.

سنسور های انعطاف پذیر، کشش پذیر و Microneedle

عامل شکل فیزیکی سنسورها با نانوسیم های زینک یا نانوسیم سیلیکون در بسترهای انعطاف پذیر پلیمری قرار می گیرد، پچ های پوشیدنی را که مطابق با پوست هستند، آرایه های میکرونیدل با نانومواد پوشش داده شده می توانند بدون درد به اپیدرم نفوذ کنند تا به مایعات بین آن دسترسی پیدا کنند، پاسخ بدن خارجی را کاهش دهند و راحتی بیمار را بهبود بخشند.

مواد شیمیایی کلیدی در تحقیقات سنسور

چندین کلاس نانو مواد به طور فعال برای برنامه های CGM مورد بررسی قرار می گیرند. لیست زیر مزایای کلیدی و وضعیت تحقیقات فعلی خود را خلاصه می کند:

  • ] نانوذرات طلا (AuNPs): هدایت بالا، قابلیت زیست محیطی، عملکرد آسان استفاده شده در هر دو الکتروشیمیایی و سنسورهای نوری LSPR نشان داده شده برای بهبود حساسیت توسط چندین سفارش از اندازه.
  • [CNTs] نانولوله های کربنی : انتقال الکترون عالی، قدرت کششی بالا، ثبات شیمیایی را فعال می کند.
  • [Graphene and graphene اکسید [GO] : Ultra-high سطح منطقه، انعطاف پذیری، خواص الکترونیکی تنبل.کاهش گرافن اکسید (rGO) به طور گسترده به عنوان یک ماده الکترود مورد مطالعه قرار می گیرد.
  • نانوذرات اکسید فلز (CuO، NiO، Co3O4، TiO2) : فعالیت غیر آنزیمی به سمت پایدار گلوکز، اما ممکن است نیاز به بیش از حد ظرفیت - صادر شده توسط دوپینگ یا ساختارهای هیبریدی.
  • چارچوب های سیلیکا و فلزی (MOFs) : به عنوان غشای انحصاری اندازه استفاده می شود. MOFs ارائه می دهد منافذ بالا و توانایی ترکیب مراکز کاتالیزوری در منافذ خود.

برای اینکه در شیمی این مواد غوطه ور تر شود، خوانندگان به یک بررسی عالی در سنسور های S (Nano Materials برای نظارت مداوم Glucose ارجاع داده می شوند.

سازگاری و ثبات طولانی مدت

برای هر سنسور ایمپلنت شده، بی طرفی بودن بسیار مهم است. نانوذرات نانو می توانند توسط سلول ها گرفته شوند، به طور بالقوه باعث استرس اکسیداتیو، التهاب یا سمیت داخل سلولی می شوند، با این حال، تحقیقات گسترده بر نانومواد با ذرات سازگار با مواد زیستی مانند پلی اتیلن گلیکول (PEG) یا استفاده از پوسته های سیلیکا برای محافظت از هسته سمی، علاوه بر این، سنسور باید مقاومت کند تا پروتئین های پیشرفته را افزایش دهد - مانند آر آر آر آر آر آر آر آر آر آر آر آر آر آر آر آر آر آر آر آر آر آر آر آر آر آر آر آر آر آر آر آر آر آر آر آر آر آر آر آر آر آر آر آر آر آر آر آر آر آر آر آر آر آر آر آر آر آر آر آر آر آر آر آر آر آر آر آر آر آر آر آر آر آر آر آر آر آر آر آر آر آر آر آر آر آر آر آر آر آر آر آر آر آر آر آر آر آر آر آر آر آر آر آر آر آر آر آر آر آر آر آر آر آر آر آر آر آر آر آر آر آر آر آر آر آر آر آر آر آر آر آر آر آر آر آر آر آر آر آر آر آر آر آر آر آر آر آر آر آر آر آر آر آر آر آر آر آر آر آر آر آر آر آر آر آر

مطالعات طولانی مدت نشان داده اند که نانومواد می توانند زندگی عملکردی سنسور را گسترش دهند. انکاکس در یک ماتریس نانو ذرات سیلیس که فعالیت آنزیم را برای چندین ماه در vitro. in vivo حفظ کرده است، چنین طرح هایی می توانند فواصل جایگزینی سنسور را از هفته ها تا ماه ها افزایش دهند. نتیجه کلیدی در محدوده زمانی (TIR) بهبود می یابد - درصد زمان مصرف کننده با سنسور های طولانی مدت کاهش می یابد (rg).

چالش در مسیر پذیرش بالینی

مقیاس پذیری و هزینه

تولید نانومواد با اندازه ثابت، شکل و عملکرد در مقیاس تجاری همچنان دشوار است. تنوع پذیری Batch-to-batch می تواند به طور چشمگیری بر عملکرد سنسور تأثیر بگذارد و نیاز به کاهش گسترده هزینه دارد تا این سنسورها را مقرون به صرفه کند، به ویژه در تنظیمات کم منبع.

سم زدایی و تاییدیه تنظیم کننده

بدن های نظارتی مانند FDA چارچوب هایی برای ارزیابی دستگاه های پزشکی مبتنی بر نانومواد ایجاد کرده اند، اما داده های سمی درازمدت هنوز ناقص هستند.به عنوان مثال، ترخیص نانولوله های کربنی از بدن به طور ضعیف درک نشده است؛ برخی مطالعات نشان می دهند که ممکن است ادامه پیدا کنند و باعث فیبروز شوند. ثورough در تست های عصبی و توسعه نانو مواد زیست شناختی b.0 اولویت های فعال در زمینه فناوری نانو می باشد.

ادغام با سیستم های موجود

فن آوری های سنسور جدید باید به طور یکپارچه با پمپ های انسولین فعلی، الگوریتم ها و برنامه های تلفن همراه ارتباط برقرار کنند. سازگاری با بلوتوث کم انرژی، رمزگذاری داده ها و پردازش زمان واقعی موانع مهندسی اضافی است.تولید کنندگان اغلب بهبود های افزایشی را برای جلوگیری از اختلال در زنجیره تامین ایجاد شده ترجیح می دهند.

اعتبارسنجی بالینی

در حالی که صدها مقاله علمی در نتایج آزمایشگاهی قابل توجه هستند، سنسورهای گلوکز مبتنی بر نانو ماده (چندین) وارد کارآزمایی های انسانی شده اند. مطالعات بالینی در مقیاس بزرگ برای نشان دادن ایمنی و دقت قابل مقایسه با CGM 1، اندازه MARD باید به طور مداوم زیر 10٪ سقوط کند و به طور ایده آل زیر 7٪ - برای توجیه یک خلبان انسانی اخیر با استفاده از یک مطالعه مبتنی بر CGM نشان داد که یک سنسور M9 (F وعده داده شده است.

مسیر های آینده و روند نوظهور

سنسور های خود-Culing Sensors

ترکیب چندین نانومواد می تواند سنسورهایی تولید کند که برای حرکت بدون دخالت کاربر، به عنوان مثال، یک الکترود مرجع ساخته شده از یک نانومواد مختلف که به گلوکز حساس است می تواند برای کاهش سر و صدای پس زمینه در زمان واقعی استفاده شود.

سیستم های دو-Hormone-Loop

فناوری نانو همچنین تشخیص سریع سیستم های هورمون دوگانه را که هر دو انسولین و گلوکاگون را ارائه می دهند، فراهم می کند، چنین سیستم ها نیاز به پاسخ سنسور سریع تری دارند تا از سنسور های مبتنی بر هیپوگلیسمی جلوگیری کنند.آرتریک با زمان پاسخ زیر ثانیه، در حال اکتشاف برای این هدف هستند.

سنسور های الهام گرفته و Biomimetic

محققان در حال توسعه نانو مواد هستند که تقلید از ماشین آلات گلوکز از سلول های بتا پانکراس است.به عنوان مثال، vesicles مصنوعی حاوی رنگ های فلورسنت که بر روی اتصال گلوکز آزاد می شوند می تواند به عنوان گزارشگر نوری عمل کند، و خط بین سنسور و محرک را محو می کند.

نظارت غیر تهاجمی

هدف نهایی نظارت مستمر و غیر تهاجمی گلوکز از عرق، اشک یا بزاق است. پچ های پوشیدنی مبتنی بر نانو مواد که گلوکز را از عرق اندازه گیری می کنند، در حال حاضر در آزمایش اولیه انسان هستند، اگرچه چالش های مرتبط با گلوکز خون باقی می ماند اگر موفق باشد، چنین دستگاه هایی می توانند نیاز به سوزن را به طور کامل از بین ببرند.

نتیجه گیری

فناوری نانو پتانسیل زیادی برای تبدیل دقت سنسور پانکراس مصنوعی، پرداختن به محدودیت های اصلی حساسیت، انتخاب، ثبات و بی طرفی بودن دارد.با فعال کردن تشخیص غیر عددی، انتقال مستقیم الکترون و ردگیری دقیق، نانو مواد می توانند عملکرد CGM را فراتر از آنچه که با الکترودهای مبتنی بر آنزیم های معمولی امکان پذیر است، در حالی که چالش های تولید، سمیت و ادامه دادن به طور قابل توجهی افزایش می یابد، سرعت رشد مصرف در صنعت مصرف کنندگان، توصیه می کند که به سرعت یک نوع کنترل اولیه 1GM را افزایش می دهد.