ננוטכנולוגיה, מניפולציה של החומר בקנה מידה אטומי מולקולרי (בדרך כלל 1–100 nm), הוא נועד לחולל מהפכה באבחון רפואי וטיפולים. בניהול סוכרת, היישום המשפיע ביותר שלו עשוי לשקר בשיקום צג הגלוקוז המתמשך (CGMs) שמרכיבים את הליבה של מערכות הלבלב מלאכותיות של פאן-חומריות.

מערכת פאניקה מלאכותית: מערכת סגורה-לופ לניהול סוכרת

מערכת משלוח אינסולין מלאכותית (או סגורה-loop) מורכבת משלושה מרכיבים משולבים בקפידה: צג גלוקוז רציף (CGM), משאבת אינסולין ואלגוריתם בקרה.מדד CGM מודד רמות גלוקוז titial בכל כמה דקות, משדר את הנתונים אלחוטית לאלגוריתם, אשר מחשב את מינון האינסולין המתאים ומחיל את המשאבה לספק אותו.

הצלחתה של לולאה זו מסתמכת כמעט לחלוטין על דיוק חיישן.אפילו טעות של 5% בקריאה בגלוקוז יכולה להוביל ל-U-או תחת פיקוח של אינסולין, תוך שהיא מעדפת את ההיפגלימיה המסוכנת (סוכר בדם נמוך) או היפרגלימיה ממושכת (סוכר דם גבוה) הנוכחית CGM, כגון אלה מ- Dexcom ו- Abbott, להשתמש בחיישנים אלקטרו-כימיים שמעסיקים את רמת הסוכרת (Golse) לאחר מכן הם מייצרים ריכוז אלקטרו-אוקסדה-גנטית, אשר עדיין גבוהה, אשר מתפקדת, לאחר מכן, אשר משפיעה באופן דרמטי, אשר גורמת לדלקתית של גלוקוז.

הגבלות חמורות של חיישן גלוקוז

למרות השימוש הנרחב שלהם, חיישני CGM הקיימים מוגבלים על ידי כמה צווארי בקבוק ביצועים:

  • (FLT:0) הפרעה חיצונית וסחף FLT:1: תרכובות אלקטרואקטיביות כגון acetaminophen, חומצה קובית, וחומצה שתן יכול ליצור זרמים מעוררים.לאורך זמן, פלט חיישן נסחף עקב אנזימים אנזימים, שינויים pH מקומיים, או ביופולינג - הצטברות של חלבונים ותאים על פני השטח החיישן.
  • (FLT:0) רגישות וזיהוי טווח 1FLT: ברמות גלוקוז נמוכות מאוד (למשל, במהלך hypoglycemia) אות החיישן יכול להיות לא לינארי, לדרג דיוק כאשר הוא קריטי ביותר.
  • (FLT:0) Lag TimeveFLT:1: גלוקוז בינישולי מאחורי גלוקוז בדם עד 5-15 דקות, בעוד לא נפתר ישירות על ידי ננו-חומרים, תגובה מהירה יותר של חיישן יכול להפחית את ההשפעה של הלג הזה על אלגוריתמים שליטה.
  • (FLT:0) חיי פעילות קצרים של ההרחבה: יש להחליף את החיישנים הנוכחיים כל 7-14 ימים בשל אי-פעולה אנזים, לכידת רקמות והשפלה אלקטרודה.זה מטיל נטל משמעותי על משתמשים ומערכות בריאות.
  • (FLT:0) חיזוק התלות התלות של CGM: רבים עדיין דורשים קליפות אצבע תקופתיות לסחף הנכון, ובכך להביס את המטרה של מערכת עצמאית לחלוטין, עצמאית למשתמש.

ננוטכנולוגיה: עקרונות ונכסים ייחודיים לחיישנים רפואיים

ננוטכנולוגיה מנצלת את התכונות הפיזיות והכימיקליות הייחודיות שצצות כאשר החומרים מופחתים לגודל ננומטר.נכסים אלה אידיאליים עבור biosensing:

  • (FLT:0) גבוה פני השטח אל-כול יחס רוחב 1: חלקיקים, ננו-חוט, וגליונות גרפן מספקים אזורי משטח עצומים עבור אי-יציבות האנזים, להגדיל באופן דרמטי את מספר אתרי הקטליטית ובכך את אות החיישן.
  • (FLT:0)Quantum Limitmentmentmentmentmentmentmentmentmentmentmentmentmentmentmentmentmentmentmentmentmentmentmentmentmentment: 1:1: במוליכים למחצה כמו dots קוונטיים, ה-Sgap הופך להיות תלוי בגודל, ומאפשר כוונון מדויק של תכונות אופטיות ואלקטרוניות.
  • (FLT:0) פעילות קטליטית של קטליטית (FLT:1): מתכת חלקיקים (זהב, פלטינה, שיתוק, שיתוק) ו תחמוצת מתכת (כלי תחמוצת, ניקל oxide) מציג פעילות אלקטרו-קטליטית מעולה עבור חמצון גלוקוז, המאפשר חישה לא-אנזימים כי נמנעים מאנזימים debulation.
  • (FLT:0) Exceptional אלקטרוני תחבורה FLT:1: ננוtube פחמן וגרפן מציעים ניידות אלקטרונים בליסטיים, המאפשר העברת אלקטרונים ישירה בין האתר פעיל האנזים לבין אלקטרודה - תוך מתן צורך במתווך מלאכותי של חמצון שיכול ללעוס ולגרום רעילות.

תכונות אלה מאפשרות למהנדסים לעצב משטחים של חיישן שפועלים עם רגישות שאין דומה לו.לדוגמה, ננו-tube פחמן חד-פעמי עם GOx יכול לזהות גלוקוז בריכוזים נמוכים כמו כמה מיקרו-מוללים, הרחק מתחת לטווח הפיזיולוגי (3.9–7.8 mM), המספק טווח דינמי רחב ורעש מינימלי.

כיצד ננוטכנולוגיה משפרת את הפנטקרות המלאכותיות

ננו-חומרים לזיהוי גלוקוזי גלוקוז

אחת האפליקציות הישירות ביותר היא החלפת גילוי אנזימי עם חיישנים לא נזימטיים המבוססים על חלקיקים מתכת או תחמוצת מתכת. חלקיקים זהב (AuNPs) הם מבטיחים במיוחד: הם יכולים לזרז את אלקטרו-חמצן של גלוקוז ללא אנזים, מציעים מוליכות טובה יותר, וניתן לתפקוד כדי להגדיל את פני השטח עבור אנזימים אם הם רוצים תחמוצת סוכר (Cuoxy) הם יכולים להפעיל מספר פעמים גבוהות יותר מאשר חומרים אלקטרואקטיביים.

חיישנים אופטיים גם נהנים מ- nanoטכנולוגיה. Gold nanoparticles להציג את התחדשות פני השטח המקומי plasmon (LSPR) - צבעם משתנה כאשר מצטבר או כאשר מדד השבירה המקומי משתנה על ידי החוקרים LSPR פיתחו חיישנים המבוססים על LSPR שיכול למדוד גלוקוז בנוזלים בין-titial אופטיים, המציע אלטרנטיבה לשיטות אלקטרוכימיות שהם פחות רגישים להפרעות חשמליות.

העברה אלקטרון משופרת ו- Signal Amplification

ננו חומרי פחמן מתייחסים לצוואר הבקבוק הקריטי של העברת אלקטרונים בחיישנים האנזים.ב חיישן GOx קונבנציונלי, האתר הפעיל של האנזים (Flavin adenine dinucleotide, FAD) קבור עמוק בתוך מבנה החלבון, מה שהופך העברת אלקטרונים ישירה לדחיסות אלקטרודה לא יעילה. Mediators כגון fercene או CHF כחול משמשים לאלקטרונים, אבל הם יכולים להקפיץ את האלקטרון או להפריע ל-אלקטרון גבוה עם זרם אלקטרונים (D) עם זרם אלקטרונים גבוה (D) עם זרם אלקטרונים גבוה (D) ו-אלקטרון).

Graphene, בין אם כ- monolayer או מופחת תחמוצת גרפן (rGO), מציעה שטח על פני גבוה (בדרך כלל 2630 מ"ר / g) ואלקטרונית יוצאת דופן ניידות של Graphene מבוסס גלוקוז הראו זמני תגובה מהירים (sub-II), רגישות מעל 100 מיקרוA / mm CM2, וגילוי נמוך כמו 0.1M - מה נדרש עבור C בטוח תפעול.

שיפור הסלקטיביות וצמצום ההתערבות

ננוטכנולוגיה מספקת פתרונות מתוחכמים לדחיית חומרים מפרשים.גישה אחת היא להפקיד membrane permselective המורכב מ- meso ⁇ silica או מסגרות אורגניות מתכת (MOFs) על אלקטרודה.חומרים ננו- ⁇ אלה מאפשרים רק מולקולות קטנות (כמו גלוקוז וחמצן) לעבור תוך חסימת הפרעות אלקטרואקטיביות גדולות יותר.אסטרטגיה אחרת משתמשת בפולימרים מולקולריים (MIP) בדיוק כדי ליצור חיישנים עמידים והופכים לתפקודים, באופן אידיאליים, אשר אינם מתאימים, כלומר, כלומר, כלומר, הם מתאימים לתפקודים ומשתנים, והופכים אותם לתפקודים ומשתנים כימיים יציבים, והופכים אותם לתפקודים, אך ורק לתפקודים, אך ורק לתפקודים, והופכים אותם לתפקודים יותר, אך ורק לתפקודים, אך ורק לתפקודים עמידים ומשתנים, אך ורק לתפקודים יותר, אך ורק לתפקודים עמידים גמישים, אך ורק לתפקודים יותר, אך ורק לתפקודים, אך ורק לתפקודים עמידים יותר, אך ורק לתפקודים של גלוקוז וחמצן, אך ורק לתפקודים עמידים יותר, אך ורק לתפקודים של גלוקוז וחמצן) כדי למנוע גלוקוז וחמצן, אך ורק לתפקודים

גמיש, מתוח, ו- Micronedle- Based Sensors

הגורם הצורה הפיזית של החיישנים מתפתח עם ננוטכנולוגיה. Znc oxide או ננווטים ניתן להטמיע ב substrates פולימרים גמישים, המאפשר כתמים לבישים התואמים את העור. ⁇ מיקרונידנטליות המצופה ננו-חומרים יכולים לחדור ללא כאבים את האפידרים לגישה לנוזלים בין-titial, צמצום תגובת הגוף הזר ושיפור נוחות המטופל יכול להוביל לחיישנים כמעט בלתי נראים, ולשיפור מתמיד של המשתמש.

מפתח ננו-חומרים במחקר חיישנים

מספר שיעורים של ננו-חומרים נחקרים באופן פעיל עבור יישומי CGM.הרשימה הבאה מסכמת את היתרונות המרכזיים שלהם ואת מצב המחקר הנוכחי:

  • (FLT:0) חלקיקים (AuNPs)אנדרופול (Avast) 1:1: מוליכות גבוהה, ביו-גמישות, פונקציונליות קלה, בשימוש גם בחיישנים אופטיים אלקטרוכימיים ו-LSPR, מחודדים כדי לשפר את הרגישות על ידי מספר פקודות של גודל.
  • (FLT:0)Carbon ננוtubes (CNTs)OVAFLT:1: העברה אלקטרונית טובה, כוח רב-עוצמה גבוהה, יציבות כימית. Enable Mediator ללא חישה.CNTs חד-מאורגן יחיד מציעים אחידות טובה יותר אבל עלות גבוהה יותר.
  • (FLT:0Graphene ו גרף oxide (GOigene ⁇ FLT) 1:1: שטח פני השטח גבוה, גמישות, טונהל תכונות אלקטרוניות.הקטנת תחמוצת גרפן (rGO) נחקרת באופן נרחב כחומר אלקטרודה. Graphene קוונטי dots (GQDs) מציג photoluminescence עבור חישה אופטית.
  • (FLT:0) חלקיקים חד-חמצני (CuO, NiO, Co3O4, TiO2)veFLT:1: פעילות קטליטית לא-אנזימים כלפי גלוקוז.
  • (FLT:0) Meso ⁇ silica ומסגרות אורגניות מתכת (MOFs) אנדרלוט:1: בשימוש כמו גודל-exclusion membranes. MOFs מציעים פורוזיות גבוהה ואת היכולת לשלב מרכזי קטליטי בתוך הנקבוביות שלהם.

(ב) לצליל עמוק יותר בכימיה של חומרים אלה, קוראים מתייחסים לסקירה מצוינת שפורסמה ב-FLT:0ACS SensorsFLT:1 (ראה:2Nanomaterials for Continuous Glucose MonitoringFLT 3).

זמינות ביולוגית ויציבות ארוכת טווח

עבור כל חיישן מושתל, ביו-תחרותיות היא רבת-תכליתית. חלקיקים ניתן לקחת על ידי תאים, שעלול לגרום ללחץ חמצון, דלקת, או רעילות לא-תאי.עם זאת, מחקר נרחב מתמקד על ציפוי nanomaterials עם פולימרים ביולוגיים לא-תואמים כגון פוליאתילן גליקול (G) או באמצעות קליפות אח כדי להגן על הליבה הרעילה, יתר על פני השטח חייב לקדם חלבונים רגישים כמו הידרוגנוגרף, כגון הידרוגנוגרף-אוקסים מורכבים.

מחקרים ארוכי טווח הראו כי ננו-חומרים יכולים להאריך את חיי החיישנים פונקציונליים. Encapsulating GOx בתוך אחליק nanoparticle matrix נשמר פעילות אנזים במשך כמה חודשים ב vitro. in vivo, עיצובים כאלה יכולים להאריך מרווחי חיישן החל משבוע עד חודשים.תוצאה מפתח היא שיפור בטווח הארוך (IR) - אחוז הזמן של משתמשים מבלים עם גלוקוז בטווח היעד, לעומת 10 אחוזים של חיישנים מתקדמים יותר, לעומת חיישנים מתקדמים (Ten) יכול להגדיל את הסיכון גבוה יותר מ- 10.

אתגרים בדרך לאימוץ קליני

ייצור סקאביות ועלויות

הפחתת ננו-חומרים עם גודל עקבי, צורה ותפקוד בקנה מידה מסחרי נותר קשה. אטיצ'-ל-batch variability יכול להשפיע באופן דרסטי על ביצועי חיישן ודורשת שחזור נרחב.הפחתת עלויות חיונית כדי להפוך את החיישנים האלה לזמין, במיוחד בהגדרות קוד נמוך.

סובלנות ושיקום אישור

הגופים הרגולטוריים כגון ה- FDA הקימו מסגרות להערכת מכשירים רפואיים מבוססי ננו-חומר, אך נתונים רעילים לטווח ארוך עדיין אינם שלמים.לדוגמה, הנקה של צינורות פחמן מהגוף היא בעלת הבנה גרועה; כמה מחקרים מצביעים על כך שהם עשויים להימשך ולגרום לפברוזיס. תורו בבדיקת vivo ופיתוח של ננו-חומרים ביולוגיים הם סדרי עדיפויות מחקר פעילים.

שילוב עם מערכות קיימות

טכנולוגיות חיישן חדשות חייבות לממשק בצורה חלקה עם משאבות אינסולין נוכחיות, אלגוריתמים ואפליקציות ניידות.התאמה עם Bluetooth Low Energy, הצפנה של נתונים ועיבוד בזמן אמת הם מכשולים הנדסיים נוספים. יצרנים מעדיפים לעתים קרובות שיפורים מצטברים כדי למנוע משבשת שרשראות אספקה מבוססות.

אימות קליני

בעוד מאות עיתונים אקדמיים מדווחים על תוצאות vitro, כמה חיישנים גלוקוז המבוססים על ננו-חומרי נכנסו בניסויים אנושיים.מחקרים קליניים בקנה מידה גדול נדרשים להפגין בטיחות ודיוק דומים או טוב יותר מאשר CGMs הנוכחי. המדד MARD חייב ליפול באופן עקבי מתחת ל -10% - ובאופן אידיאלי מתחת ל -7 אחוזים - כדי להצדיק אימוץ.טייס אנושי עדכני באמצעות גרף מבוסס CGM הראה MARD של 9.5 אחוזים מעל 7 ימים, החל מ-NN1 חיישנים).

כיוונים עתידיים ומגמות מתפתחות

חיישנים עצמיים

שילוב של ננו-חומרים מרובים יכול לייצר חיישנים כי אוטומטי מתאים לסחף ללא התערבות של משתמשים.לדוגמה, אלקטרודה הפניה שנעשתה מ nanomaterial שונה כי הוא חסר רגישות גלוקוז יכול לשמש כדי subtract רעש רקע בזמן אמת.

מערכת כפולה:Hormone Closed-Loop Systems

ננוטכנולוגיה גם מאפשרת זיהוי מהיר עבור מערכות כפולות-הוריזון המספקות אינסולין ו glucagon.מערכות כאלה דורשות אפילו תגובה מהירה יותר של חיישן למניעת hypoglycemia. חיישנים המבוססים על ננו-חוט עם זמני תגובה של שניות נמצאים תחת חקירה למטרה זו.

חיישנים ביומטיים וביומנטליים

חוקרים מפתחים ננו-חומרים המחקים את המכונות של תאי בטא הלבלבלבלבים הלבלביים של הלבלב הלבלבים סינתטיים המכילים צבעי פלואורסנט המשוחררים על מנת לנגלוק סוכר יכול לשמש כעיתונאים אופטיים, תוך מטושטשת הקו בין חיישן ומעשה.

פיקוח לא פולשני

המטרה הסופית היא ניטור גלוקוז מתמשך, לא פולשני מן הזיעה, דמעות, או ⁇ . ⁇ . ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ מבוסס ננו חומרי כי מודד גלוקוז מן הזיעה כבר בשלב מוקדם של בדיקות אנושיות, אם כי אתגרים עם קורלציה לגלוקוז בדם להישאר.

מסקנה

ננוטכנולוגיה יש פוטנציאל עצום להפוך את דיוק חיישן הלבלב מלאכותי, לטפל במגבלות הליבה של הרגישות,סלקטיביות, יציבות וזמינות ביולוגית. על ידי מתן זיהוי לא-אנזימי, העברת אלקטרונים ישירה ודחייה חכמה, ננו-חומרים יכולים לדחוף את ביצועי CGM מעבר למה שניתן עם אלקטרודות מבוססות אנזים קונבנציונליים.