معرفی MEMS در Glucose Sensing

سیستم های میکرو الکترومکانیکی (MEMS) نشان دهنده همگرایی مهندسی مکانیکی و الکترونیکی در مقیاس میکرومتر است.در طول دهه گذشته، فناوری MEMS به عنوان یک پلت فرم تحول برای سنجش زیست پزشکی ظهور کرده است، به ویژه در تشخیص سطح غنی سازی گلوکز، تاثیر بیش از 530 میلیون بزرگسال در سراسر جهان، نیاز به بررسی دقیق، مداوم، و حداقل اکسیژن برای جلوگیری از عوارض حاد و پایبندی طولانی مدت مواد پوشیدنی که باعث می شود، به یک روش های متاستیک ضعیف است.

اصول تکنولوژی MEMS

ساخت و Miniaturization

دستگاه های MEMS با استفاده از فرآیندهای نیمه هادی مانند مانند Photolithography، Deep-ion etching، و رسوب نازک فیلم تولید می شوند، این تکنیک ها اجازه می دهند تا ایجاد ساختارهای مکانیکی در مقیاس کوچک - قادر به بارور شدن، غشای، کانال های میکروفلوئیدیک، و صفحات خازن - در یک سیلیکون یا شیشه ای، توانایی ساخت هزاران دستگاه نظارت یکسان در یک سنسور کوچک و یا کاهش مقدار مصرف کننده برای کاهش مقدار کم مصرف کننده، کاهش مقدار کم مصرف کننده است.

مشخصات مکانیسم های حساس

سنسورهای گلوکز MEMS به طور معمول از طریق یکی از چندین مکانیسم انتقال کار می کنند. سنسورهای ظرفیت تشخیص تغییرات در خواص دی الکتریک ناشی از اتصال گلوکز به سطح عملکردی؛ تغییر در اسید اسید آمینه به اندازه گیری حساسیت های لایه ای گلوکز در مورد مولکول های پیکربندی مایع، از جمله واکنش های مایع گلوکزی که با گلوکز (xEMS) پوشانده شده اند؛ اکسیداسیون باعث ایجاد استرس مکانیکی می شود که حساسیت سریع در طول زمان های مصرف مایع های کوچک را کاهش می دهد.

Insight: ترکیب MEMS با نانومواد جدید، محدودیت تشخیص سنسور گلوکز را به محدوده نانومولار افزایش داده است که تشخیص اولیه از حوادث هیپوگلیسمی را امکان می دهد.

پیشرفت های اخیر در سنسور MEMS Glucose

حساسیت نانو-Enhanced

پیشرفت های اخیر بر ادغام نانومواد برای تقویت سیگنال از مبدل های MEMS (پلن و مشتقات آن (گرافیک، کاهش گرافن اکسید) نیز تمرکز کرده اند و نسبت لوله کشی سطح بالا را تقویت می کنند - به عنوان مثال، سنسور MEMS اسید عملکرد با گرافن نانوcroll نشان داد که مقدار زیادی از آن را کاهش می دهد؛ به طور دقیق از طریق یک روش کنترل الکترولیتی، مقدار 0.5Fxm، به آنها اطمینان می دهد.

ویژگی های Surface Performanceization برای انتخاب

انتخاب یک چالش باقی می ماند زیرا مایعات بیولوژیکی شامل تداخل هایی مانند اسید کوربیک، اسید اوریک و سنسورهای MEMS این را از طریق عملکرد انتخابی قرار می دهند.یک رویکرد همچنین این است که گوکس را در یک غشای آنزیمی غیر قابل انتخاب قرار دهد (به عنوان مثال، Nafion یا پلی تکنیک) که باعث حذف منفی آسیب پذیری می شود در حالی که اجازه می دهد تا محققان لایه دیگری را برای حذف کند که از طریق یک روش تشخیص مولکولی استفاده کنند (مانند آنزیم های تشخیص متاکس).

سیستم های Wireless and Battery-Free Systems

اتصالات سیمی تحرک بیمار را محدود می کنند و خطر ابتلا به عفونت را افزایش می دهند. سنسورهای گلوکز مدرن اغلب ارتباطات نزدیک میدان (NFC) یا ماژول های بلوتوث کم انرژی (BLE) را برای انتقال داده های بی سیم ادغام می کنند. مثال قابل توجه است که جایگزین های زیر میلی متر MEMS است که از طریق NFC انتقال می یابد، توسط یک میکرو فرکانس لیتیوم نازک یا انرژی با استفاده از یک دستگاه جایگزین جایگزین برای حذف مداوم سنسور داده ای که به طور کامل در دو هفته تزریق می شود.

ادغام با دستگاه های قابل حمل و نگهداری

قابلیت های مستمر Glucose Monitors

موفق ترین کاربرد تجاری MEMS در سنجش گلوکز، نظارت مستمر گلوکز (CGM) دستگاه هایی مانند ابوت FreeStyle Libre و Dexcom G7 از یک رشته نازک و انعطاف پذیر که در داخل این رشته ها قرار دارد، تجزیه و تحلیل میکروسیمرهای مبتنی بر MEMS و کانال های microallowic امکان اندازه گیری گلوکز واقعی را در هر یک از پنج نسخه های فشارسنجی اخیر کاهش می دهد.

رویکردهای تهاجمی در برابر رویکردهای غیر تهاجمی

در حالی که بیشتر سنسورهای گلوکز MEMS نیاز به یک سوراخ کوچک پوست برای قرار دادن دارند، فن آوری های غیر تهاجمی تحت توسعه فعال هستند. سنسورهای نوری می توانند گلوکز را از طریق پوست با استفاده از طیفوسکوپی نزدیک مادون قرمز (NIR) ، پراکنده شدن برشی یا سیگنال های الکترومتریک گزارش شده از شکستن پوست اندازه گیری کنند، اما از نسبت سیگنال های پایین به گلوکز پایین به جذب و پراکنده شدن از هر جزء های عصبی که به یک برش ضعیف شدن آن، جلوگیری از این مقدار کم عمق مایع است، آسیب پذیر است.

تاثیر بر مدیریت دیابت

دسترسی به سنسور های گلوکز بسیار حساس، مدیریت دیابت را از واکنش به فعال سازی تغییر داده است.[۱] نظارت مستمر نشان می دهد که اندازه گیری های گلوکز که از دست می دهند، مانند افزایش پس از درمان و پایبندی به هیپوگلیسمی شبانه، بیماران می توانند میزان قابل توجهی از خود را تنظیم کنند، و فعالیت فیزیکی در زمان واقعی، کاهش فرکانس گشت و گذار خطرناک است.

چالش ها و محدودیت ها

ثبات و پیچ

سنسورهای گلوکز MEMS، به ویژه کسانی که از آنزیم ها استفاده می کنند، از از دست دادن تدریجی فعالیت در طول زمان رنج می برند. GOx denatures در دمای بدن، با نیمه عمر تقریبا دو تا چهار هفته در داخل بدن، این حرکت نیاز به کالیبراسیون مکرر با اندازه گیری های نشانگر انگشت دارد، که برخی از مزایای راحتی را به دست می آورد، محققان تکنیک های آنزیمی مانند گلوت گیری متقابل یا آنزیم های ثابت را بررسی می کنند.

قابلیت پذیری Biocom

دستگاه های MEMS ایمپلنت باعث یک پاسخ خارجی بدن می شوند که ممکن است باعث فیبروز، التهاب و خرابی سنسور شود.پاسخ اولیه اغلب شامل جذب پروتئین، به دنبال آن تجمع ماکروفاژ و تزریق کلاژن که ذرات را از فسفر اسید سمی جدا می کند، پوشش های نیتریک مانند پلی اتیلن گلیکول (PEG)، پلیمرزیتر، و موش های زیستی که حساسیت به عنوان مثال متابولی سمی را بهبود می دهند، می تواند از یک پروتئین خاص برای جلوگیری کند.

هزینه و مقیاس پذیری

اگرچه ساخت MEMS به طور ذاتی ارزان است، اما پس از تولید حجم بالا، مراحل اضافی برای عملکرد سنسور گلوکز - رسوب نقشه راه ساده، پوشش پلیمر، بسته بندی با موانع استریل - افزایش هزینه های تولید کلی CGM برای 300 تا 900 دلار برای یک سنسور 10 روزه و نیاز به گیرنده های اختصاصی یا گوشی های هوشمند.EMS، به ویژه در تنظیمات کم، باید هزینه های تولید را کاهش دهد.

مسیر های آینده

هوش مصنوعی و یادگیری ماشین

سنسورهای گلوکز MEMS مجموعه داده های گسترده ای را تولید می کنند - هر دقیقه از هر روز برای سال ها الگوریتم های یادگیری ماشین می توانند الگوهایی را استخراج کنند که سطح گلوکز آینده 15 تا 60 دقیقه پیش رو را پیش بینی می کنند، که امکان تحویل انسولین پیشگیرانه را فراهم می کند، چندین سیستم حلقه بسته (artificialial) در حال حاضر از این پیش بینی برای تنظیم انسولین در نرخ های تزریق پیش بینی شده استفاده می کنند.

مشخصات چندگانه

به تنهایی گلوس یک تصویر کامل از سلامت متابولیک را ارائه نمی دهد. پلتفرم های MEMS می توانند به طور همزمان اندازه گیری lactate، کتون ها و کورتیزول را افزایش دهند، چنین سنسورهای چندگانه اجازه می دهد تا تشخیص اولیه کتواسوئید دیابتی یا هیپرگلیسمی های چند منظوره استرسی را با آنزیم های چند منظوره خاص خود ارتباط دهد. A اخیر MEMS شامل سه الکترود مستقل است - یکی برای گلوکز، یک آزمایشگاه، و نظارت اولیه برای یک بتای سفارشی و یک آنزیم های خاص.

سنسور های خود-Powered Sensors

باتری ها برای دستگاه های MEMS با عملکرد کوتاه مدت و کوچک باقی مانده اند. برداشت انرژی از گرمای بدن (thermoالکتریک)، حرکت بدن (piezoالکتریک یا تریبوالکتریک) یا سلول های سوخت زیستی می تواند نیاز به منابع انرژی نزدیک را از بین ببرد. Glucose خود را می تواند به عنوان سوخت: سلول های زیستی مایعی تولید شده توسط یک سنسور انرژی پاک کننده است که به زودی گزارش شده است.

نتیجه گیری

فن آوری MEMS اساسا زمینه سنجش گلوکز را پیشرفته کرده است، که بسیار حساس، مینیاتوریزه شده و دستگاه های بی سیم است که مدیریت دیابت را بهبود می بخشد، از مبدل های خازن و پیزوالکتریک به رابط های نانو مواد مغذی و پایدار، به احتمال زیاد، جریان مداوم نوآوری ها باعث محدودیت های تشخیص در محدوده زیر میکرومولار، کاهش سنسور، افزایش و شناسایی یکپارچه با این مشکلات تولید پایدار می شود، و نه تنها انتظار می رود که H2٪ قابل دسترس است.