În ultimul deceniu, tratamentul diabetului de tip 1 a fost remodelat prin sisteme de livrare a insulinei închise, numite adesea dispozitive pancreatice artificiale. Aceste sisteme combină un monitor continuu al glucozei (CGM) şi o pompă de insulină cu un algoritm care ajustează automat livrarea insulinei pe baza citirilor de glucoză în timp real. În timp ce dispozitivele pancreasului artificial actual îmbunătăţesc semnificativ controlul glicemic şi reduc povara autogestionării constante, se bazează încă pe componente de senzori care trebuie înlocuite la fiecare şapte până la paisprezece zile şi care în cele din urmă contribuie la deşeurile medicale. Un nou val de cercetare explorează utilizarea senzorilor biodegradabili care ar putea dizolva sau se pot descompune în siguranţă în interiorul corpului după durata lor funcţională. Aceşti senzori promit să reducă riscurile chirurgicale, să îmbunătăţească confortul pacientului şi să reducă amprenta ecologică a îngrijirii diabetului. Acest articol examinează ştiinţa din spatele senzorilor biodegradabili, integrarea lor potenţială în sistemele pancreasului artificial de generaţie următoare, obstacolele care rămân, precum şi perspectivele de adoptare clinică.

Cum funcționează astăzi țigările de cale ferată

Un dispozitiv pancreas artificial, mai precis numit un sistem hibrid închis-loop, constă din trei componente principale: un MGM care măsoară nivelurile interstiţiale de glucoză la câteva minute, o pompă de insulină care furnizează insulină cu acţiune rapidă şi un algoritm de control care utilizează datele MGM pentru a comanda pompa pentru a creşte, scădea sau suspenda livrarea insulinei. Scopul este de a menţine glicemia în intervalul ţintă cât mai mult posibil, reducând atât hiperglicemia cât şi hipoglicemia. Sistemele comerciale actuale, cum ar fi sistemul medical MiniMed 670G, Tandem t:slim X2 cu Control-IQ, iar Omnipod 5 au demonstrat îmbunătăţirea nivelului de timp-in-range şi scăderea nivelului HbA1c în studiile clinice. Cu toate acestea, senzorii CGM folosiţi în aceste sisteme sunt de obicei de unică folosinţă, dispozitive electrochimice care trebuie înlocuite la fiecare 7-14 zile, iar inserţia senzorilor necesită o nouă plasare subcutanată de fiecare dată. Mai mult, aceşti senzori şi transmiţătorii lor generează deşeuri electronice pe durata de-a unui pacient o preocupare semnificativă dată de o persoană cu diabet de tip 1 trebuie să utilizeze sute de ani.

Ce sunt senzorii biodegradabili?

Senzorii biodegradabili sunt dispozitive implantabile sau portabile construite din materiale care pot fi defalcate în produse secundare inofensive după ce și-au servit scopul. În contextul sistemelor pancreatice artificiale, un senzor biodegradabil ar funcționa ideal ca un MGM pentru o perioadă definită, pe parcursul unei perioade definite, săptămâni sau luni și apoi degradați în substanțe pe care organismul le poate metaboliza sau excreta în condiții de siguranță. Aceasta elimină necesitatea unei proceduri separate de îndepărtare și reduce acumularea de deșeuri nedegradabile de la senzorii utilizați. Cercetarea în electronică biodegradabilă s-a accelerat în ultimii cinci ani, determinată de progrese în știința materialelor și microfabricație. Materialele biodegradabile comune includ fibroina de mătase, celuloză, poli(lactic-co-glicolic acid) (PLGA), magneziu, zinc și anumite semiconductori organice. Aceste materiale pot fi proiectate pentru a fi degradate la rate controlate, de la zile la mai multe luni, în funcție de aplicare.

Candidați-cheie pentru senzori de glucoză biodegradabile

Fibroina de mătase este o proteină derivată din coconi de viermi de mătase. Este biocompatibilă, robustă mecanic și poate fi procesată în filme subțiri sau hidrogeli care găzduiesc enzime sensibile la glucoză sau nanoparticule.Senzorii pe bază de mătase pot fi adaptați pentru a se degrada în decurs de săptămâni la luni prin ajustarea condițiilor de prelucrare. Magnesium și Zenzo sunt metale care se corodezează rapid în medii fiziologice.Pot servi ca urme conductive sau electrozi care se dizolvă după utilizare. PLGA și alte polimeri sintetici sunt utilizați în mod obișnuit în suturi resorbabile și în sisteme de livrare a medicamentelor; ei se degradează în acizi lactici și glicoli, care sunt eliminați în mod natural.Un senzor de glucoză biodegradabil poate utiliza o combinație a acestor materiale: un substrat de magneziu, magnezie și un strat de glucoză-oxid care se distribuie PL

Integrarea senzorilor biodegradabili în Pancreasul artificial

Trecerea de la sistemele de transport de unică folosinţă la senzorii complet biodegradabili necesită regândirea întregului design al senzorilor, a sursei de energie şi a comunicaţiei fără fir. În timp ce materialul senzorilor poate fi biodegradabil, electronica asociată transmiţătoare, antena, bateria trebuie să fie biodegradabilă sau să fie concepută să rămână în afara corpului. O abordare care este investigată este un sistem cu două părţi: un senzor subcutanat biodegradabil care utilizează o celulă electrochimică simplă alimentată de o celulă biocombustibilă (de asemenea biodegradabilă) şi un plasture portabil care citeşte date prin intermediul unui radio fără rază scurtă şi o transmite către pompa de insulină şi controlorul. Celula biocombustibil poate recolta energie din glucoză şi oxigen din ţesut, eliminând necesitatea unei baterii externe. Cercetătoriii de la instituţii precum MITs Media Lab şi ] au demonstrat că celulele biocombustibile prototipe care operează pentru perioade lungi de lucru la modele animale.

Arhitectura potenţială a sistemului

  • Senzori biodegradabili subcutanati:[ Un plasture mic, flexibil, plasat sub piele, conținând mai multe elemente de detectare a glucozei, fiecare având un timp de degradare ușor diferit pentru a asigura o acoperire continuă.
  • Celula biodegradabilă de biocombustibil: transformă glucoza și oxigenul în electricitate pentru a alimenta senzorul și un transmițător mic. Celula de combustibil se degradează și după ce producția sa de energie scade.
  • Tag fără fir cu destinație rutieră: Un circuit realizat din magneziu și mătase care transmite date despre glucoză unui receptor extern. Eticheta poate fi concepută pentru a se dizolva atunci când este udată sau după o perioadă stabilită.
  • Releu și controler extern: Un dispozitiv portabil (de exemplu, un ceas inteligent sau o pompă) care primește datele senzorilor, rulează algoritmul de închidere și comandă pompa de insulină.

Beneficii clinice și de mediu

Senzorii biodegradabili oferă mai multe avantaje față de senzorii permanenți sau înlocuiți în mod repetat:

Provocări actuale și obstacole tehnice

În ciuda promisiunii, mai multe obstacole semnificative trebuie depășite înainte de a putea fi utilizați senzori biodegradabili în dispozitivele pancreatice artificiale:

Stabilitatea senzorilor şi precizia pe parcursul vieţii

Principala provocare este menţinerea unor valori exacte ale glucozei pe parcursul întregii perioade funcţionale, mai ales pe măsură ce senzorul începe să se degradeze. Pe măsură ce materialul corode sau se descompune, proprietăţile electrochimice se schimbă, ducând la derivarea în calibrare. GMC actuale necesită calibrarea la fiecare câteva ore sau zile, folosind citirile de glucoză din sânge cu ajutorul lipiciului; un senzor biodegradabil ar avea nevoie fie de un mecanism de autocalibrare, fie de o perioadă stabilă lungă pentru a fi acceptabil din punct de vedere clinic. Cercetatorii explorează utilizarea de detectare raţională] pentru a măsura raportul dintre două semnale, dintre care unul este o referinţă care se degradează pentru a corecta derivarea. A studiul din Inginerie Biomedicală Nature a demonstrat un senzor de glucoză bazat pe mătase care menţinea precizia timp de peste două săptămâni la şobolani, dar scalarea la utilizarea umană şi prelungirea durabilităţii până la luni rămâne o zonă activă de investigaţie.

Biocompatibilitatea și răspunsul organismului străin

Chiar materiale biodegradabile pot declanșa un răspuns imun. Organismul poate încapsula senzorul într-o capsulă fibroasă, izolandu-l de lichidul interstițial și cauzând pierderea semnalului. Cercetătorii sunt senzori de acoperire cu acoperiri imunomodulatoare (de exemplu, cu PLGA care eliberează dexametazonă) pentru a suprima reacția organismului străin. Subprodusele de degradare trebuie să fie, de asemenea, non-toxice și nu ar trebui să provoace inflamație locală. Degradarea magneziului eliberează hidrogenul degivrează gaz, care poate crea buzunare subcutanate; proiectele trebuie să permită difuzarea în condiții de siguranță a gazului.

Putere și comunicare fără fir

Alimentarea unui senzor biodegradabil nu este trivială. Celulele biocombustibile care recoltează glucoza au o putere limitată (la ordinul microwaţilor pe centimetru pătrat), care poate să nu fie suficientă pentru transmiterea continuă fără fir. Cercetătorii investighează stocarea energiei folosind supercapacitoare biodegradabile realizate din nanotuburi de carbon şi celuloză, care ar putea stoca energie pentru a permite explozii intermitente de transmisie. Alternativ, senzorul ar putea fi alimentat fără fir de la o sursă externă prin cuplare inductivă folosind o bobină dizolvantă. O echipă de la Universitatea Zurich a raportat un receptor de energie wireless complet biodegradabil, care ar putea permite senzorilor implantaţi să comunice fără baterii interne.

Producție și scalabilitate în costuri

Producţia de senzori biodegradabili cu proprietăţi consistente la scară comercială este o provocare. Multe dintre materialele (de exemplu, fibroina de mătase) sunt obţinute din produse naturale cu variabilitate pe loturi. Procesele de fabricare a încăperilor curate trebuie adaptate pentru a manevra componentele biodegradabile fără a le degrada în timpul montării. Fezabilitatea economică a senzorilor biodegradabili faţă de senzorii de unică folosinţă stabiliţi depinde de costul materialelor biocompatibile şi de randamentul dispozitivelor fiabile. Colaborarea industrială, cum ar fi parteneriatul dintre Medttronic şi laboratoarele academice, va fi esenţială pentru a reduce decalajul dintre prototip şi produs.

Răzvrătiri de reglementare

Agenţiile de reglementare, inclusiv FDA şi EMA, nu au stabilit încă o cale clară pentru electronice medicale biodegradabile. Produsele combinate care implică atât un medicament (de exemplu, un strat antiinflamator) cât şi un dispozitiv necesită o transmitere mai complexă. Produsele de degradare trebuie să fie dovedite sigure pe termen lung, iar performanţa senzorului trebuie să fie echivalentă sau mai bună decât cele existente. Studiile clinice în stadiu incipient sunt în curs de desfăşurare în Europa pentru senzori biodegradabili pentru alte aplicaţii (de exemplu, monitorizarea presiunii intracraniene), care pot deschide calea pentru dispozitivele de diabet.

Direcţii viitoare şi cercetări în curs

Mai multe linii interesante de cercetare ar putea accelera tranziția la senzori biodegradabili pentru sistemele pancreatice artificiale:

  • Senzorii multiplexi care măsoară glucoza împreună cu alţi biomarkeri[ (de exemplu cetone, lactat) ar putea oferi o imagine metabolică mai completă. Folosind aceeaşi platformă biodegradabilă, cercetătorii de la TU Darmstadt au array-uri fabricate care detectează simultan glucoză şi pH-ul.
  • Hidrogeli inteligenți care se umfla sau își schimbă culoarea ca răspuns la glucoză pot acționa ca senzori optici care nu necesită electricitate. Acestea pot fi citite de o sursă de lumină externă aproape infraroșu, eliminând necesitatea de a implanta în întregime electronice.
  • Timp închis de bioacumulare
  • Algoritmele de învățare ale mecanicilor care pot interpreta date de la un senzor degradant și pot compensa abaterea semnalului ar putea prelungi durata de viață utilizabilă a senzorului chiar și atunci când începe să se descompună.
  • Integrarea cu plasturi microneedle care se dizolvă complet acestea ar permite inserarea fără durere și apoi dispar, lăsând nici o urmă.

Calea spre adopţie clinică

În timp ce viziunea unui senzor de pancreas artificial complet biodegradabil este încă ani departe, se înregistrează progrese incrementale. Cea mai probabilă aplicare pe termen scurt este o CGM biodegradabilă care durează 2 ? 4 săptămâni şi înlocuieşte senzorii de unică folosinţă curenti, în timp ce este conectată fără fir la un transmiţător extern. Numai aceasta ar reduce frecvenţa de deşeuri şi inserţie. Următorul pas ar fi un sistem biodegradabil complet implantabil cu o celulă biocombustibilă, care funcţionează timp de 3 ? 6 luni. Studiile clinice pentru astfel de dispozitive ar putea începe în termen de 5 ?7 ani, presupunând că rezolvarea cu succes a provocărilor de putere şi precizie.

  1. Demonstrarea unui sistem stabil de detectare a glucozei timp de cel puţin 30 de zile într-un model animal mare.
  2. Dezvoltarea unei legături de date fără fir și biodegradabile care să îndeplinească standardele de comunicare de grad medical (de exemplu, Serviciul de comunicare al implantului medical).
  3. Testele de fază I la om pentru a confirma biocompatibilitatea şi fără efecte adverse de degradare.
  4. Studii pivotale care compară sistemul pancreatic artificial biodegradabil cu un sistem standard închis în ceea ce privește intervalul de timp și siguranța.

Concluzie

Senzorii biodegradabili reprezintă o frontieră în tehnologia diabetului care se aliniază cu împingerea mai largă către dispozitive medicale durabile, prietenoase pacienţilor. Prin eliminarea absorbţiilor chirurgicale, reducerea deşeurilor şi potenţial care permit implantarea pe termen lung, acestea ar putea îmbunătăţi calitatea vieţii pentru milioane de oameni cu diabet de tip 1. Provocările sunt substanţiale, dar convergenţa ştiinţei materialelor, bioelectronica şi controlul algoritmic aduce această posibilitate mai aproape de realitate. Pe măsură ce cercetarea continuă şi produce scări, pancreasul artificial de generaţie următoare poate nu doar să reglementeze glucoza automat, dar să nu lase urme.