За останні десятиліття лікування цукрового діабету 1 було перероблено за допомогою систем з доставки замкнених опуклих, часто називаються штучними пристроями підшлункової залози. Ці системи об'єднують безперервний контроль глюкози (CGM) і інсуліновий насос з алгоритмом, який автоматично регулює постачання інсуліну на основі одноразових глукозних зчитувань. При цьому сучасні пристрої штучних підшлункової залози значно покращують глікологічне управління і зменшують навантаження постійного самозниження, вони все ще спираються на компоненти датчика, які повинні бути замінені кожні сім-чотирнадцять днів і які в кінцевому підсумку сприяють медичним відходам. Нова хвиля досліджень досліджує використання біологічних датчиків, які можуть безпечно розчинятися або поперерватися в організмі.

Як працює сьогодні штучний пристрій Pancreas

У штучному підшлунковому пристрої, точно, що піддається гібридній замкненій системі, складається з трьох основних компонентів: CGM, що вимірює міжстимість рівня глюкози кожні кілька хвилин, інсуліновий насос, який забезпечує швидке визначення інсуліну, а алгоритм управління, який використовує дані CGM для збільшення, зменшення або замісу інсуліну. Мета полягає в тому, щоб тримати кров глюкози в межах цільового діапазону якомога більше, зменшуючи як гіперглікемію, так і гіпоглікемію. Сучасні комерційні системи, такі як Medtronic MiniMed 670G, Tandem t:slim X2 з датчиками управління

Які біорозкладні датчики?

Інженери з біорозкладних датчиків є імплантованими або зносними пристроями, побудованими з матеріалів, які можуть зламати в нешкідливі побічні продукти після їх подачі. У контексті штучних систем підшлункової залози біорозкладний датчик ідеально буде функціонувати як CGM за визначений період—потенційні тижні або місяці, а потім деградувати в речовини, які організм може безпечно метаболізувати або вивести. Це виключає необхідність окремої процедури видалення і зменшує накопичення нерозширених відходів з використовуваних датчиків. Дослідження в біорозкладні електронні місяці прискорилося в останні п'ять років, в результаті чого завчасно в матеріалах науки і мікророзбій.

Ключові матеріальні кандидати для біорозкладних датчиків глюкози

Силк фібрин] є білком, отриманим з шовкоподібних коконів. Він є біосумісними, механічно міцними, і може бути оброблені тонкими плівками або гідрогелами, які містять глюкози-чутливі ферменти або наночастинки. Шовкові датчики можуть бути налаштовані для деградації протягом декількох тижнів до місяців, скоригуючи умови обробки. Магнітезій[PLDS:3] і zinc] - метали, які швидко розчиняють інші фізіологічні середовища. Вони можуть служити як

Інтеграція біорозкладних датчиків у штучну підшлунку

Зроблення від поточного одноразових CGM до повного біорозкладних датчиків вимагає переосмислення всього дизайну датчика, живлення та бездротового зв'язку. Хоча сам датчик може бути виготовлений біорозкладний, асоційований електроніка—трансмітер, антена, акумулятор—м'язь також бути біорозкладним або бути розроблений для збереження зовнішнього тіла. Один підхід до дослідження є двочастою системою: біорозкладний підшкірний датчик, який використовує простий електрохімічний елемент, що працює біопаливо клітиною (також біорозширюваний) і зносний патч, який читає дані через короткочасний бездротовий і перекладається його в: 0MIT

Архітектура потенціалу системи

  • Субританний масив біорозкладного датчика: Невеликий, гнучкий патч, розміщений під шкірою, що містить кілька елементів глюкози-знижування, кожен з яких має трохи різний час деградації, щоб забезпечити безперервне покриття.
  • Біодеградабельна біопаливо клітина: перетворює глюкозу і кисневе в електрику для живлення датчика і крихітного передавача. Паливна клітина також деградує після його виходу енергії краплі.
  • Трансієнт бездротовий тег: Схема, виготовлена з магнію та шовку, яка передає дані глюкози на зовнішній ресивер. Тег може бути розроблений для розчинення при змоченні або після встановленого періоду.
  • External relay and Controller: Зносний пристрій (наприклад, смарт-годинник або насос), який отримує дані датчика, працює алгоритм замкненого типу, і замовляє інсулінний насос.

Клінічні та екологічні переваги

Біорозкладні датчики пропонують кілька переваг по постійним або багаторазовим замінним датчикам:

  • Елімінація сенсорно-ретривалих процедур Оскільки датчик розчиняється, для видалення його немає необхідності, зменшення ризику інфекції та рубців. Це особливо вигідно для дітей, які можуть знадобитися багато заміни датчика протягом життя.
  • Оцінені медичні відходи] Кожен нерозширений датчик CGM сприяє різким відходим та електронним відходами. Біорозкладний датчик, який перетворюється в CO2, воду, мінерали різко розрізає цей екологічний навантаження. Світова організація охорони здоров'я] висвітлено зростаючу проблему медичних відходів, а біорозкладні електронні пристрої вирівнюються з метою сталого розвитку.
  • Покращений комфорт і відповідність пацієнта Довший датчик, який не вимагає щотижневої вставки, може зменшити біль, незручність і роздратування шкіри, пов'язані з частими змінами датчика. Деякі пацієнти розвиваються алергічні реакції на клеєні пластирі; біорозкладний датчик може використовувати біоаджезив, отриманий з хітозану або альгінату, що менш дратівливий.
  • Поточна для глибокого контролю тканин Оскільки датчик не потрібно видалити, його можна імплантувати в тканинах, які не легко доступні для частої заміни, що дозволяє вимірюватися глюкози на альтернативних сайтах (наприклад, внутрішньом'язові або в перитональній порожнині).
  • Подивитися довгострокову вартість догляду Хоча початкові дослідження та виробництво можуть бути дорогими, єдиний імплантований біорозкладний датчик, який триває кілька місяців може бути дешевше, ніж десятки одноразових датчиків протягом одного періоду, особливо при факторингу в знижених клініках візити для сенсорної вставки.

Поточні виклики та технічні слухання

Незважаючи на обіцянку, деякі суттєві перешкоди повинні бути подолані перед біорозкладними датчиками можуть використовуватися в штучних підшлункових пристроях:

Датчик стабільності та точність над терміном життя

Основний виклик - це збереження точного читання глюкози в весь функціональний період, особливо, як датчик починає деградувати. Як матеріал корроди або зламається, зміна електрохімічних властивостей, що призводить до дрейфу в калібруванні. Поточні КГМ вимагають калібрування кожні кілька годин або днів з використанням пальцевих глянцевих глянцевих луків; біорозкладний датчик буде потрібно або самокалібруючий механізм або тривалий стабільний період, щоб бути клінічно прийнятним. Дослідники дослідження використовують

Біокомпатентність та реакція на навколишнє тіло

Навіть біорозкладні матеріали можуть викликати імунну відповідь. Організм може захопити датчик у капсулі фіброзу, ізолюючи його від міжстильної рідини і викликати втрати сигналу. Дослідники – це датчики покриття з імуномодулюючими покриттямами (наприклад, з дексаметазон-відведенням PLGA), щоб пригнічувати зовнішньому реакції організму. Деградація побічних продуктів повинна бути нетоксичною і не повинна викликати локальне запалення. Деградація магнію випускає водневу газ, який може створити підшкірні кишені; конструкції повинні дозволити газ дифузувати безпечно.

Зв'язок з електромережами та бездротовим зв'язком

Потужність біорозкладного датчика нетривалий. Біопаливо клітини, які збирають глюкозу, мають обмежену потужність виходу (на замовлення мікроватів на квадратний сантиметр), що може бути недостатньо для безперервної бездротової передачі. Дослідники слідують накопичувачі енергії з використанням біорозкладних суперконденсаторів, виготовлених з вуглецевих нанотрубків і целюлози, які можуть зберігати енергію, щоб дозволити міжмітентних розривів передачі. Крім того, датчик може бути живлення бездротово від зовнішнього джерела через індуктивні приймачі, використовуючи розсіяну котушку. Команда Університет мікроелементів

Виготовлення та витратна відповідальність

Виготовлені біорозкладні датчики з послідовними властивостями в комерційній вагі є складним. Багато матеріалів (наприклад, шовкова фібрина) виявляються з натуральних продуктів з періодично-розвантажуваною мінливістю. Процеси виготовлення чистої кімнати повинні бути адаптовані для обробки біологічно застарілих компонентів без їх розкладання під час складання. Економічна доцільність використання біорозкладних датчиків, встановлених одноразових датчиків залежить від вартості біосумісних матеріалів і виходу надійних пристроїв. Промислова співпраця, таких як партнерство між Medtronic і академічні лабораторії, буде важливим для мостового проміжку від прототипу.

Нормативно-правові гончарні гончари

Нормативні органи, включаючи FDA і EMA, ще не встановили чіткий шлях для біорозкладної медичної електроніки. Комбінаційні продукти, які включають як препарат (наприклад, протизапальне покриття) і пристрій вимагає більш складних подач. Засоби деградації повинні бути перевірені безпечними протягом тривалого терміну, а продуктивність датчика повинна бути еквівалентна або краще, ніж наявні CGM. Ранні клінічні випробування знаходяться в Європі для біорозкладних датчиків для інших додатків (наприклад, внутрішньочерепний моніторинг тиску), які можуть перевернути спосіб для пристроїв діабету.

Майбутні напрямки та дослідження

Кілька цікавих ліній досліджень можуть прискорити перехід на біорозкладні датчики для штучних систем підшлункової залози:

  • Multiplexed сенсори, які вимірюють глюкозу разом з іншими біомаркерами (наприклад, кеттони, лактат) може забезпечити більш повну метаболічну картину. Використовуючи ж біорозкладну платформу, дослідники TU Darmstadt мають виготовлені масиви, які виявляються глюкози і pH одночасно.
  • Смар гідрогелів, які запалюють або змінюють колір у відповідь на глюкозу] може виступати як оптичні датчики, які не вимагають електрики. Вони можуть бути зчитування зовнішнім джерелом світла, що виключає необхідність імплантованої електроніки.
  • Closed-loop біодеградація частування – датчики проектування, які деградують за контрольованою швидкістю, щоб багаторазові датчики можуть бути імплантовані в шаховому порядку, забезпечуючи безперервне покриття як один деград, так і наступний стає активним.
  • Махін алгоритми навчання, які можуть інтерпретувати дані з датчика деградації та компенсувати данний сигнал може продовжити всійне життя датчика навіть як він починає розбити.
  • Інтеграція з мікроголами , які розчиняють повністю—це дозволить безболісно вставку, а потім зникнуть, не залишаючи сліду.

Шлях до клінічного прийняття

Хоча бачення повністю біологічно-розширюваного датчика підшлункової залози ще років, проводиться незрівнянний прогрес. Най ймовірніше, що при короткостроковій застосуванні є біорозкладним CGM, який триває протягом 2-4 тижнів і замінює струмові одноразові датчики, при цьому все одно бездротово підключені до зовнішнього передавача. Що само собою буде зменшити відходи і частоту вставки. Наступний крок буде повністю імплантована біорозкладна система з біопаливоючою клітиною, що працює протягом 3-6 місяців. Клінічні випробування для таких пристроїв можуть початися протягом 5-7 років, що припустимо успішне вирішення задач потужності і точності. Ключові вміхи включають:

  1. Демонстрація стабільної псування глюкози не менше 30 днів у великій моделі тварин.
  2. Розробка бездротового, біорозкладного посилання даних, що відповідає стандартам зв'язку медичних закладів (наприклад, послуги зв'язку з медичними імплантами).
  3. Фази I людини випробування для підтвердження біокомпаності та не несприятливих наслідків деградації.
  4. Випробування на основі біорозкладної системи штучного підшлункової залози до стандартної замкненої системи в умовах своєчасної та безпечності.

Висновок

Біорозкладні датчики представляють передній апарат в технології діабету, який вирівнюється з більш широким натисканням на стійкий, дружній до пацієнта медичних пристроїв. Виключаючи хірургічні видалення, зменшення відходів і потенційно дозволяють більш довгостроковій імплантації, вони можуть підвищити якість життя для мільйонів людей з цукровим діабетом типу 1. Виклики є суттєвими, але конвергенція наук, біоелектроніка, алгоритмічне управління приносять цю можливість ближче до реальності. Як дослідження продовжується і виробництво масштабів, наступні покоління штучних підшлункової залози можуть не тільки регулювати глюкозу автоматично, але і не залишає слідів за.