Потенціал нанотехнології в підвищенні штучного підшлункової здатності датчика

Нанотехнології: Принципи та унікальні властивості для медичних датчиків

Нанотехнології використовується для біосенсоризації, що дозволяє використовуватися при зменшенні матеріалів нанометровому масштабі. Ці властивості ідеально підходять для біосенсоризації:

• Висока поверхня‐to‐volume співвідношення: Наночастинки, нанопроводи, графіни, графіни, кольории забезпечують величезні поверхні зон для іммобілізації ферменту, різко збільшуючи кількість каталітичних сайтів і тим самим сигнал датчика.
• Квантем конфінмент]: У напівпровідниках, як квантові точки, смугап стає розміром антиоксидантним, що дозволяє точного засвоєння оптичних та електронних властивостей. Це може бути загартований для флуоресцентної глукози.
• Продуковано каталітичну активність: Наночастинки металів (золото, платинум, паладію) та оксидами металів (окислювач оксиду, нікелю) експонують чудову електрокаталітичну активність при окисленні глюкози, що дозволяє нетеримічному сенсінню, що дозволяє уникнути денатурації ферменту.
• Exceptional Electron Transport: Carbon Nanotubes and графен пропонують м'язову електронмумузикацію, що полегшує прямий електрон перенесення між активним сайтом і електродом—виключаючи необхідність у штучних окислотних медіаторах, які можуть лехти і викликати токсичність.

Ці властивості дозволяють інженерам розробляти сенсорні поверхні, які працюють з непаралізованої чутливістю. Наприклад, функціональний нанотрубок одношарового вуглецю з Гексом може виявити глюкозу при концентрацій, як низько як кілька мікромолів, що нижче фізіологічного діапазону (3.9–7.8 мМ), забезпечуючи широкий динамічний діапазон і мінімальний шум.

Як нанотехнології підвищує рівень штучного підшлункової залози

Наноматеріали для прямого та каталізованого детекції глюкози

Одним з найбільш прямих додатків є заміна ферментативного виявлення з не‐enzymatic датчиків на основі металевих наночастинок або оксидів металів. Особливо перспективними є золоті наночастинки (AuNPs): вони можуть каталізувати електролокислення глюкози без ферменту, запропонувати відмінну провідність, і можуть бути функціональні для збільшення площі поверхні для завантаження ферменту при бажанні. Нанопроводи міді (CuO) показали, що чутливість глюкози кілька замовлень величини вище звичайних електродів, з часом реагування під одним другим. Ці матеріали властиво стабільні, - це не денатур, і може широко функціонувати діапазон температури, що перевищує температурний діапазон, і може бути розширений.

Оптичні датчики також отримують користь від нанотехнологій. Золоті наночастинки експонуються локалізовані поверхневі плазмонно-резонансні зміни кольору при сукупності або коли локальні рефраактивні зміни індексу при глукозі. Дослідники розробили LSPR-на основі датчиків, які можуть виміряти глюкозу в міжститовій рідині оптично, пропонуючи альтернативні електрохімічні методи, які менш схильні до електрозаправних перешкод.

Розширена Електронна передача та підбір сигналів

Наноматеріали вуглецю адресують критичну петлю передачі електронів в ферментативних датчиках. У звичайному датчикі GOx активному місці ферменту (флавін аден дінуклеотид, FAD) похований глибоко в межах структури білка, що робить прямий передач електрона в електрод неефективний. Серед посередників, таких як фероцен або Prussian blue використовуються для передачі електронів, але вони можуть витікати або заважати датчиком. Нанотрубки вуглецю і графен, з їх високою електромобільністю і одновимірною структурою, можуть досягати прямого передачі електронів (DET). Дослідження показали, що прикріплення GOx до вертикально вирівняних вуглецевих нано-натурних нано-натурбінних носіїв високої щільності

Графен, чи є моношаровим або зниженим оксидом графена (rGO), пропонує ультра-високу площу поверхні (теоретично 2630 м2/г) і надзвичайну електрон рухливість. Датчики графічного на основі глюкози показали час швидкого реагування (під-секунд), сенситивності перевищують 100 мкм/м2, і обмеження виявлення як низькі, як 0,1 мкм-фл нижче, що потрібно для безпечної роботи CGM.

Покращена вибірковість та зменшення

Нанотехнології також забезпечують складні рішення для відхилення міжферментних речовин. Один підхід полягає в тому, щоб запровадити пермселектну мембрану, що складається з мезопорних кремнію або металево-органічних каркасів (MOFs) на електрод. Ці нанопористі матеріали дозволяють тільки невеликі молекули (подібна глюкоза і кисень), щоб пройти при блокуванні більших електроактивних перешкод. Ще одна стратегія використовує молекулярно відбиті полімери (MIPs) у поєднанні з наночастиками для створення синтетичних зон розпізнавання, які точно відповідають розмірам глюкози, формою і функціональності. МІП є хімічно і термостійки, не вимагають холодильних і можуть бути відновлені датчики, що ідеально, що робить їх, що ідеально, що ідеально, що робить їх, що ідеально, що робить їх, що ідеально, що робить, що робить їх, що ідеально, що робить, що робить, що ідеально, що робить, що ідеально підходять для них, ідеально підходять для них, що робить, що робить, що робить, ідеально, ідеально підходять для них, що робить, ідеально, що робить їх, що робить їх, що робить їх

Гнучкі, розтяжки та мікронередмети з підігрівом

Фізичний фактор форм датчиків є за допомогою нанотехнологій. Оксид цинку або нанопровідників кремнію можуть бути вбудовані в гнучкі полімерні субстрати, що дозволяють зносостійкі патчі, які відповідають шкірі. Мікронедлові масиви, покриті наноматеріалами, можуть безболісно проникнути епідермісу для доступу до міжстиціальної рідини, зменшення реакції зовнішнього тіла і поліпшення комфорту пацієнта. Такі конструкції можуть призвести до датчиків, які практично непомітні для користувача, посилаючи відповідність і дозволяють більш послідовний моніторинг.

Ключові наноматеріали в дослідженнях датчиків

У деяких класах наноматеріалів активно досліджені для програм CGM. У наступному списку узагальнено основні переваги та поточний стан досліджень:

• Gold наночастинок (AuNPs): Висока провідність, біокомпаність, легка функціоналізація. Використовуються як в електрохімічній, так і LSPR оптичних датчиків. Продемонстровано для поліпшення чутливості за кількома замовленнями величини.
• Автобуси (CNTs): Відмінний електрон передач, висока міцність на розрив, хімічна стійкість. Увімкнути медіатором без втрат. Одношарові CNTs пропонують кращу однорідність, але більш високу вартість.
• Графен і оксид графена (GO): Ultra‐high поверхневий простір, гнучкість, мутні електронні властивості. Зменшений оксид графена (rGO) широко вивчається як електродний матеріал. Графен квантові точки (GQDs) експонують фотолюмінесценції для оптичного осадження.
• Наночастинки оксиду (CuO, NiO, Co3O4, TiO2): Не‐ензиматичний каталітичний активність до глюкози. Стабільний, але може вимагати високих перепотенціальних речовин, які митали допінгом або гібридними структурами.
• Мезопористий кремлік і металоорганічні основи (MOFs): Використовується як розмірно-виключення мембран. MOFs пропонує високу пористість і можливість входити в експлуатацію каталітичних центрів в межах своїх пори.

Для більш глибокого занурення в хімію цих матеріалів читачі називають відмінним оглядом, опублікованим в Датчики змінного струму (]Наноматеріали для безперервного моніторингу глюкози).

Біокомпатентність та довговічність довгого рівня

Для будь-якого імплантованого датчика біокомпаність є параmount. Наночастинки можна приймати клітинами, потенційно викликати окислювальні навантаження, запалення або внутрішньоклітинну токсичність. Однак, великі дослідження зосереджені на на наноматеріалах з біосумісними полімерами, такими як поліетиленгліколь (PEG) або за допомогою ліколієвих оболонок, щоб знеболювати токсичний серцевину. Крім того, поверхня датчика повинна протистояти біофульгуванню. Наноструктуровані топографії - наприклад, нано стовпи, наногра, або гідрогелотоксини композитні композити, які можуть зменшити адсорбцію білків і сприяти сприятливому реа тканині.

Дослідження довголіття показали, що наноматеріали можуть продовжити функціональне життя датчика. Енапсулюючи GOx в матриці наночастин кремнію збережені ферментні дії протягом декількох місяців в in vitro. У vivo такі конструкції можуть потенційно розширювати інтервали заміни датчиків з тижнів до місяців. Ключовий результат є поліпшенням часової мітки (TIR) - відсоток часу користувач витрачає з глюкози в цільовому діапазоні. Симулятори пропонують, що наноматеріали є підвищеними датчиками з низьким MARD (наприклад, <7 %) може збільшити TIR на 10–20 % порівняно з поточними датчиками, що перекладаються на краще довгострокові результати і знижений ризик ускладнень.

Виклики на шляху до клінічного додатка

Виготовлення кальмарів та витрат

Виготовлені наноматеріали з послідовним розміром, формою та функціоналізацією в комерційній шкалі залишаються складно. Варіабельність баттєвих потоків може різко впливати на продуктивність датчика і вимагати великої перерахунку. Зниження вартості є важливим для того, щоб зробити ці датчики доступні, особливо в низьких джерелах налаштувань.

Насоси та нормативні затвердження

Нормативні органи, такі як FDA, встановили основи оцінювання наноматеріальних медичних пристроїв, але довгострокові токсичні дані все ще неповні. Наприклад, очищення вуглецевих нанотрубків з організму погано розуміли; деякі дослідження дають можливість вони можуть зберігати і викликати фіброз. Довіряють в тестуванні і розвитку біорозкладних наноматеріалів є активними науковими пріоритетами. FDA провинувати на нанотехнологій продуктах] забезпечує початкову точку для розробників.

Інтеграція з системами експлуатації

Нові технології датчика повинні інтерфейсувати безшовно з струмовими насосами, алгоритмами та мобільними додатками. Сумісність з Bluetooth Low Energy, шифрування даних та обробка в реальному часі є додатковими інженерними перешкодами. Виробники часто віддають перевагу незрівнянним поліпшенням, щоб уникнути порушення встановлених ланцюжків поставок.

Клінічна перевірка

Хоча сотні наукових праць звітують вражаючі результати вітро, кілька наноматеріальних датчиків глюкози вводять людські випробування. Великі томні клінічні дослідження необхідні для демонстрації безпеки і точності, порівняні з або більш ніж струмом CGM. метрика MARD повинна послідовно падіння нижче 10 %, і ідеально нижче 7 %— для обґрунтування прийняття. Останні пілоти людини з використанням графено-на основі CGM показали MARD 9.5 % протягом семи днів, перспективний старт (]Nanomaterial Sensor льотного дослідження).

Майбутні напрямки та тренди

Датчики самоналагодження

У поєднанні з декількома наноматеріалами можуть виготовляти датчики, які автоматично додаються до дирфту без втручання користувачів. Наприклад, посилання електрод, виготовлений з різних наноматеріалів, що є нечутливим до глюкози, може бути використаний для відрахування фонового шуму в режимі реального часу.

Двосторонні системи Closed‐Loop

Нанотехнології також дозволяє швидко виявити системи подвійного гормону, які забезпечують як інсулін, так і глюконь. Такі системи вимагають навіть більш швидкого реагування на датчики для запобігання гіпоглікемії. Нанопровідно-насичені датчики з суб‐секундними часами реагування підлягають розшуку.

Біоінспіровані та біоміметичні датчики

Дослідження розвиваються наноматеріали, які мітують клейкозно-сенсорну техніку клітин підшлункової бета. Наприклад, синтетичні вудки, що містять флуоресцентні барвники, які випускаються при глукозі, можуть служити оптичними репортерами, розмиття лінії між датчиком і активатором.

Неінвазивний моніторинг

Кінцева мета - безперервний, неінвазивний контроль глюкози від поту, сльози або слини. Наноматеріали зносні патчі, які вимірюють глюкозу від поту, вже на початку тестування людини, хоча проблеми з кореляцією до глюкози крові залишаються. Якщо успішними такі пристрої можуть повністю виключити необхідність голок.

Висновок

Нанотехнології має величезний потенціал для перетворення точності датчика штучного підшлункової залози, що звертаються до основних обмежень чутливості, вибіркості, стійкості та біокомпатентності. Завдяки не‐вензиматичного виявлення, прямого передачі електронів та розумного втручання, наноматеріали можуть відштовхувати продуктивність CGM за межі того, що можливо з традиційними електродами на основі ферменту. Під час проблем у виробництві, токсичності та клінічної перевірки, швидке темпи досліджень та зростаючих інвестицій галузі свідчать про те, що нанотехнології, що керуються датчиками, стануть основою догляду за діабетом протягом найближчого десятиліття. Для мільйонів людей, що живуть з діабетом 1 типу, ці досягнення значно більшого рівня, що підвищують рівень гіггемплітку, що покращується гіггемічної якості