Вступ до МЕМС в глукозних Sensing

Мікроелектромеханічні системи (MEMS) представляють собою конвергенцію механічної та електронної техніки на ваговій ваговій мікрометрі. За минулий десятиріччя технології МЕМС виник як трансформативна платформа для біомедичної обробки, зокрема при виявленні рівня глюкози. Цукровий міклеометри спираються на ферментативні амперометричні методи, що вимагають частих пальцевих принципів, що дозволяють уникнути гострих ускладнень і тривалого пошкодження органу. Традиційні глухометри спираються на ферментативні амперометричні методи, що вимагають частих пальчикових зразків, що дозволяють викликати дискомфорт і слабкий прилипання. МЕМ-анти-анти пропонують ці обмеження

Основи технології МЕМ

Виготовлення та мініатуризація

Апарати МЕМС виготовляються з використанням напівпровідникових як-от фотолітографії, глибокого реактивного офорту, а також тонко-фільмового розкладання. Ці методики дозволяють створення мікро-масштабних механічних конструкцій—кантилів, мембран, мікрофлюїдних каналів, і ємнісних пластин— на кремнієвій або скляній підкладці. Можливість виготовлення тисячі ідентичних пристроїв на одному вафель знижує вартість агрегату і підтримує масове виробництво для одноразових або репертуційних датчиків. У глукозному сенсі, активна зона датчика ММС може бути як невеликою, як кілька сотень квадратних метрів, що дозволяє розмістити на це критичне мікроклітинне мікроклітинне покриття в межах тканини або наконтинентатурки.

Чуттєві механізми

Датчики глюкози MEMS зазвичай працюють через один з декількох механізмів передачі. ємнісні датчики виявляються зміни діелектричних властивостей, викликаних глукоза, що мають функціональний поверхневий вигляд; отриманий зсув в ємності пропорційний концентрації глюкози. Пристрої Piezoеелектричні МЕМС використовують кантилери, покриті окислотою глюкози (GOx); глюкози окислення генерує механічний стрес, що змінює резонансну частоту канильвергенів. Мікроелектродиметри важають мікроелектроди, щоб вимірювати струм, вироблений при ферментативній реакції глюкози з GOx, пропонуючи високу чутливість і швидкі часи

Key Insight: Комбінація виготовлення МММС з новими наноматеріалами штовхала обмеження виявлення датчиків глюкози в наномілярний діапазон, що дозволяє ранньодіагностувати гіпоглікемічні події.

Останні прориви в датчиках глюкози MEMS

Наноматеріал-забезпечений чутливість

Останні досягнення зосереджені на інтеграції наноматеріалів для посилення сигналу з трандуктори MEMS. Графен та його похідні (оксиду ографії, зниженого оксиду графена) пропонують виняткову електричну провідність та високу поверхнево-об'ємну співвідношення, що робить їх ідеальними для модифікації електродів. Наприклад, ємнісний датчик MEMS, що функціональний з нанопрокрутками графена, що дозволяє зменшити кількість виявлення 0,5 мкМ глюкози, що досягається нижче фізіологічного діапазону. Нанотрубки вуглецю (CNTs) забезпечують аналогічні переваги; дослідження, опубліковані в

Функціональна обробка поверхонь для вибірковості

Обратимність залишається проблемою, оскільки біологічні рідини містять заважки, такі як аскорбінова кислота, сечова кислота, ацетамінофен. Датчики МЕМС звертаються до цього за допомогою вибіркової функціональності. Один підхід полягає в іммобілізації Гексу в межах проникної мембрани (наприклад, Nafion або поліуретан), яка виключає негативно заряджені запобіжники, дозволяючи глюкози дифузувати до ферментного шару. Ще одним методом є молекулярно-імпринтовані полімери (МІП), які створюють синтетичні місця розпізнавання для глюкози, що виключає необхідність ферментів і розширення термінів зберігання. Недавній МЕМ може бути досягнутий датчик

Бездротові та безплатні системи

Дротові з'єднання обмежують рухливість пацієнта і підвищують ризик зараження. Сучасні датчики глюкози MEMS часто інтегруються в ближнього поліуму (NFC) або модулі Bluetooth Low Energy (BLE) для бездротової передачі даних. Нездатний приклад - це субмілліметр датчика люкози, який спілкується через NFC, живленням мікро-літію-іонної мікро-батарії або енергією, що збираються з смартфона. Цей дизайн дозволяє безперервно контролювати до двох тижнів без перезаряджання. Крім того, пасивні датчики з використанням індуктивного з'єднання або радіочастотного задягувача усувають акумулятори, алеровані 2 рази.

Інтеграція з пристроями, що виробляються та імплантуються

Безперервні монітори глюкози

Найбільш комерційно успішне застосування МЕМС у сенсуванні глюкози - це безперервний контроль глюкози (CGM). Пристрої, такі як абботт FreeStyle Libre і Dexcom G7 використовують тонку гнучку нитки, вставлену в міжстильну рідину. Усередині цих ниток мікроелектродині системи MEMS і мікрофлюїдні канали дозволяють вимірювати часовий глюкози кожні п'ять хвилин. Останні версії включають акселерометри MEMS для моніторингу активності та датчиків тиску MEMS для вставки, що посилюють надійність. Новітні системи CGM можуть виміряти глюкозу між 30M / LSARD

Мінімально інвазивний проти неінвазивних підходів

При цьому більшість датчиків глюкози MEMS вимагають невеликої пункції шкіри для розміщення, неінвазивні технології під дією розвитку. Оптичні датчики MEMS можуть вимірювати глюкозу через шкіру за допомогою ближнього інфрачервоного (NIR) спектроскопії, расманського розсіювання або фотоакустичних сигналів. Ці методи не дозволяють поломитися шкіри, але страждають від менших співвідношення сигналу через розсіювання та поглинання іншими компонентами тканини. Для подолання цього дослідники розробили мікронедійні масиви MEMS, які безболісно проникають шкіру, але страждають від низьких коефіцієнтів сигналу, щоб отримати міжсхідний ліквід, не досягаючи нервових нервових захворювань.

Вплив на управління діабетом

Неприємність високочутних датчиків глюкози МЕМС перетворилася з метою запобігання активності діабету. Безперервний моніторинг показує тенденції глюкози, які пропускаються пальцевими паликами, такими як післяпринові спіри та неувертюрна гіпоглікемія. Пацієнти можуть регулювати дозування інсуліну, дієтичні вибірки, а фізична активність в реальному часі, зменшуючи частоту небезпечних екскурсій. Дослідження пам'ятного знака опубліковано в The New England Journal of Medicine[ повідомляють, що пацієнти використовують МЕМ-на основі ЦГМ (Dexcom G6) досягли 20% зниження рівня HbA1cmonitor

Виклики та обмеження

Стабільність і дрифт

Датчики глюкози MEMS, особливо ті, що використовують ферменти, страждають від поступової втрати активності протягом часу. Здаткові протези GOx при температурі тіла, з напіввиведенням приблизно на два-чотири тижні в vivo. Цей дрейф необхідний час калібрування з пальцевими вимірами, які поразкують деякі переваги зручності. Дослідники досліджують методики іммобілізації ферментів, такі як перехресне з глутаральдегідом або анімацією в соль-гельних матрицях, щоб продовжити термін експлуатації. Недомінні датчики на основі металевих наночастинок або МІП є більш стабільними, але часто експонуються низькі виділення. [:0Fstrmetmatic]

Біокомпатентність

Імплантовані пристрої MEMS запускають зовнішньо-повідомлення, яке може викликати фіброз, запалення і відмову від датчиків. Початкова відповідь часто включає адсорбцію білка, з подальшим накопиченням макрофагів і колядним арматуруванням, що зольовує датчик від міжстатевої рідини. Поверхневі покриття, такі як поліетиленгліколь (PEG), звареаційні полімери, і біогелі зменшують неспецифічні зв'язки білків і покращують довговічність датчика. Наприклад, датчик глюкози, покритий фосфатилхоліном, що передається 90% його оригінальної чутливості після 28 днів у щурів. Крім того, антимікробні покриття можуть

Вартість та масштабованість

Хоча виготовлення MEMS властиво низькій вартості за одиницю після виробництва високої потужності, додаткові кроки для функціоналізації датчиків глюкози - ферментної депозиції, полімерного покриття, упаковки з стерильні бар'єри -збільшити загальний виробничий рахунок. Поточні CGM роздрібні для 300-$900 за 10-денний датчик і вимагають фірмових ресиверів або смартфонів. Для досягнення глобальної доступності, особливо в низьких ресурсних налаштуваннях, витрати повинні знизитися за допомогою розміру. Попереджання в рулонному друку компонентів MEMS і вафельно-рівневе пакування є перспективними. Крім того, інтеграція всіх функцій на один рік CMOS-MEMS може зменшити зовнішній рівень

Майбутні напрямки

Штучний інтелект та машинне навчання

Датчики глюкози MEMS генерують величезні дані -вічно хвилину кожного дня протягом років. алгоритми машинного навчання можуть видобути візерунки, які прогнозують майбутні рівні глюкози 15-60 хвилин попереду, що дозволяє попередньо просувати надсилання інсуліну. Кілька закритих систем (штучні підшлункової залози) вже використовують такі прогнози для регулювання частоти настійних базальних інсулінів. Спостереження за майбутніми датчиками MEMS, ймовірно, будуть включати в себе нейромережі, які обробляти дані локально, зменшуючи споживання електроенергії та затримки. Випробування на Електронний пристрій 0.223M

Кількаxed Sensing

Глюкоза, не забезпечує повного зображення метаболічного здоров'я. М'ясні платформи можуть бути розширені одночасно вимірювати лактат, кетони і кортизол. Такі багаторазові датчики дозволяють раннього виявлення діабезного кетокислотозу або стрес-індукованої гіперглікемії. Останній прототип МЕМ-патч включає три незалежних електродів - для глюкози, один для лактату, і один для бета-гідроксибутирату - вчитель функціоналізований з певними ферментами і пермелективними мембранами. Патч-моніторинг подається через BLE з на замовлення додаток, а ранні тести у здорових волонтерів показали відмінне співвідношення з лабораторними аналізаторами.

Датчики самовитратні

Акумулятори залишаються пляшковим вирізом для тривалого, малоформного фактора MEMS-пристрої. Збір енергії з тепла тіла (термоелектрика), рухів тіла (пірезоелектричні або трибоелектричні), або біопаливо клітини можуть усунути необхідність зовнішніх джерел енергії. Сама Глюкоза може служити паливом: ферментативні клітини біопалива генерують електрику шляхом окислення глюкози, а датчик глюкози MEMS, що працює на потужності, скоро це заходи, є елегантною концепцією. В той час як занадто потужна потужність, заздалегідь, накопичувача, що виробляється 0,5 мкм при нормальному рівні глікозів, - достатньо для джерела енергії.

Висновок

Технологія MEMS має фундаментально просунути поле глукози, що дозволяє високочутливим, мініатурізованим і бездротовим пристроєм, які покращують управління діабетом. Від ємнісних і пирогеелектричних перетворювачів до наноматеріало-розширених інтерфейсів, безперервний потік нововведень приводиться до обмеження виявлення в субмікробному діапазоні, зниження сенсорного дрейфу і підвищення вибірковості. Інтеграція з з носієм і імплантованими платформами тепер забезпечує пацієнтів з реальними даними, що знижує рівень HbA1c і запобігає гострим ускладненням. Тим не менш, труднощів у стабільності, біокомпаність і вартість залишаються;