糖尿病管理对环境的日益影响

糖尿病影响着全球超过5.37亿成年人,预计在未来几十年中,这一数字将急剧上升。 这一慢性病的日常管理通常涉及葡萄糖监测设备、胰岛素泵、测试带、长颈鹿和电池操作传感器的结合。 这些部件都造成了巨大的环境负担:塑料废物、电子废物和能耗。 传统的糖尿病装置往往单用,含有非生物降解塑料,并依赖一次性电池。 由于医疗保健通过Things(IOT)技术实现数字化转型,因此迫切需要重新设计这些装置,使之在不损害病人结果的情况下具有可持续性。

用于糖尿病管理的生态友好型IOT设备旨在减少浪费,使用可再生或可回收材料,并用最少的能量运行。 通过将环境考虑纳入设计和生产生命周期,制造商可以帮助降低糖尿病护理的碳足迹,同时提高方便度和数据准确性。 本文借鉴当前研究和行业趋势,探讨了开发糖尿病管理可持续IOT设备的关键特征、创新、挑战和未来方向。

为何在糖尿病护理中采用生态友好的IOT设备

问题的规模

世界卫生组织认为,糖尿病是导致失明、肾衰竭、心脏病发作、中风和下肢截肢的主要原因。 需要每日监测的人数之多意味着设备可持续性的微小改善能够产生巨大的集体影响。 比如,如果每个连续的葡萄糖监测器(CGM)传感器都使用一个更少的可支配塑料组件,医疗塑料废物的年减少量就可能达到数百吨。 除了材料外,蓝牙增生葡萄糖计、胰岛素泵和数据传输器在全球的消耗力会增加,特别是在设备被留在或充电频繁的情况下。

国际糖尿病联合会估计,2021年全球糖尿病总医疗开支超过9,660亿美元。 其中一部分用于医疗器械的制造、包装和处置。 通过设计可持续性,我们不仅保护环境,而且可能降低医疗系统和病人的费用。

协调健康与环境目标

可持续的糖尿病管理并不是健康与地球之间的取舍。 生态友好的IOT设备可以通过延长磨损时间、减少电池变化和更可靠的数据传输来加强病人的护理。 比如,从体热中取出动力的能收割传感器可以消除电池更换的需求,减少废物和改变设备的不便。 此外,生物降解组件可以在使用后安全分解,防止长期污染。 医疗IOT和绿色设计原则的结合是迈向负责任创新的一条有希望的道路。

糖尿病可持续IOT设备的关键特性

设计一个有利于生态的糖尿病管理IOT设备需要关注产品生命周期的每个阶段:原材料、制造、使用和报废处置。 以下是界定这些设备的基本特征。

生物降解或可回收材料的使用

传统的葡萄糖传感器和胰岛素泵组件往往由几个世纪来一直留在垃圾填埋场的以石油为原料的塑料制成,生态友好型替代品包括由玉米淀粉所生出多乳酸等可生物降解聚合物,或由微生物发酵所生出多羟基烷酸酯(PHA),研究人员还探索了利用以纤维素为原料的感应基物,这些材料可在工业条件下被堆肥或安全地降解;此外,铝和不锈钢等可回收金属可以取代可一次性塑料外壳,模块设计可以方便地分离出用于再循环的材料。

实例:[ 最近发表的一份研究报告载于ACS 可持续化学和amp;Engine 显示一种完全由生物可降解纸张和碳电极制成的糖感应器,在使用后可进行精确读取,这种创新指向了即使是单用装置也无痕的未来。

低能耗和能源收获

降低能耗对于环境可持续性和病人的方便性都至关重要。糖尿病的IOT设备通常需要持续运行来监测和数据传输。 超低功率微控制器和无线通信协议,如蓝牙低能和窄带IOT(NB-IOT)的进步,大大降低了能源需求。 此外,收能技术可以完全消除对电池的需求。 共同的方法包括:

  • 能将体热转化为电能的热电发电机.
  • 接电收割机能从运动或振动中捕取能量.
  • 为暴露于光线下的装置而设的相位伏地电池[(例如有小型太阳能电池板的可穿戴补丁).

通过这些技术的结合,研究人员创建了没有外部电源的CGM传感器原型,可以无限期地运行,并大大减少了电池的浪费和一次性电池的资源密集型生产.

模块和可修理设计

模块化方法只允许用户替换失效组件(例如:已磨损的粘合体或耗尽的电池),而不会丢弃整个设备。这可以延长产品寿命并减少电子废物。例如,胰岛素泵可以有分离的泵机制、控制电子和电池包模块。标准化连接器和易于取用的隔间可以方便修理和升级。模块化设计还可以支持寿命结束时的再生,因为不同的材料可以高效地分离。

数据安全和隐私,不牺牲可持续性

可持续的IOT设备仍必须遵守健康数据规范,如HIPAA和GDPR。 加密、安全靴子和空中更新等安全功能至关重要。但是,这些功能可能需要大量能源。 生态友好设计优先考虑节能加密算法和安全要素,最大限度地减少计算费用。 此外,边缘计算 — — 数据在当地处理后再向云层发送基本信息 — — 既会减少能耗,也会减少数据传输量,同时改善隐私和电池寿命。

创新驱动生态友好型糖尿病IOT设备

近期在材料科学、能源收割和无线技术方面的突破加速了可持续糖尿病装置的发展。 以下是具有现实世界潜力的显著创新。

可生物降解葡萄糖传感器

传统的CGM传感器含有可生物降解的材料,需要每7至14天清除和处置一次。 研究人员已经开发出由丝绸纤维素、纤维素或其他天然聚合物制造的可生物降解的传感器,这些传感器在规定的时间之后完全降解。 例如,慕尼黑技术大学的一个团队用一个可生物相容的液化胶制造出一种糖传感器,在两周后在体内安全溶解,从而消除了清除和减少医疗废物的需要。 这种传感器可以设计成可控制的速度降解,确保它们在整个预定寿命期内准确运行。

自发式可穿戴设备

能量收集已经从概念转移到了原型。 一个显著的发展是可穿戴的补丁,将葡萄糖传感器与生物燃料电池结合,在体内的间歇液中产生出葡萄糖和氧气的电能。这种“自能”传感器可以在没有外部电池的情况下持续监测葡萄糖含量。在a 2020年研究中,这种补丁在 发表,在30多天的动力中表现出准确的读数。 这一创新不仅消除了电池的浪费,而且可以延长磨损时间,从而减少传感器变化的频率。

低功率无线数据传输协议

LTE-M和NB-Iot是低功率IOT设备的蜂窝标准,允许葡萄糖监测器安全地传输数据,能用最小的能耗。对于更近距离的通信,蓝牙 5.0和BLE提供更大的范围,比早期版本更低的功率。蓝牙低能(BLE)音频和其他高级剖面的出现进一步减少了能量的超高。此外,Thread和Zigbee等协议使得患者家中的设备能够网格网,从而能够在没有常云连接的情况下进行全面监测,从而节省了能量。

生态友好包装和分销

可持续性超出了设备本身,公司正在采用可生物降解或再生的糖尿病用品包装,减少了单用途塑料,一些制造商已经引入了胰岛素盒和测试脱衣容器的可再充填系统,例如,启动时的模块式胰岛素泵EcoPump使用可再利用的电子和可生物降解补丁胶,并用蘑菇原料制成的包装,这些举措表明环境责任可以贯穿整个产品供应链。

开发可持续IOT糖尿病设备的挑战

尽管取得了令人乐观的进展,但生态友好的IOT装置在糖尿病管理中成为主流之前,仍然存在若干障碍。

重复性和可靠性

生物降解材料的寿命往往较短,而且可能不如传统塑料的强度更强。 确保传感器在所需的磨损期(通常为7-14天)保持准确和稳定至关重要。 湿度、温度和机械压力会影响性能。 制造商必须进行广泛的测试,以保证生态友好材料不会损害临床准确性。 此外,能源采集系统必须在可变条件下提供一致的动力(例如低体热或最小运动 ) 。

成本和可扩展性

与传统材料和电池相比,目前生产可降解聚合物和能收成部件的成本更高。 扩大制造规模以实现规模经济对于使这些装置能够负担得起医疗系统和病人来说至关重要。 糖尿病的市场价格敏感,特别是在糖尿病负担最重的中低收入国家。 如果不实现成本均等,生态友好选择可能仍然是特殊产品,限制其环境影响。

条例

医疗设备必须经过FDA和EMA等机构的严格监管审查。 引入新材料或自动力系统需要新的生物兼容性、降解安全和长期稳定性测试协议。 生物可降解植入或能收割传感器的监管路径尚未明确界定,导致不确定性和审批时间更长。 设备制造商和监管机构之间需要合作,为可持续医疗设备制定明确的指导方针。

数据安全和互通性

随着糖尿病设备的连接程度的提高,数据被破坏的风险会增加. 依赖边缘计算或低功率加密的可持续设备可能具有有限的处理能力,有可能使其更容易被攻击. 此外,确保不同设备之间的互操作性(例如一个品牌的CGM和另一个品牌的胰岛素泵)对于糖尿病的全面管理至关重要,但在使用非标准化协议或材料时可能会出现相容性问题. 生态友好型IOT糖尿病设备的全行业标准仍在开发中.

可持续糖尿病的未来方向

前进的道路包括技术创新、政策支持和行业合作。

与可再生能源的结合

未来设备可以由小型太阳能电池充电或供电,这些电池可以装入可穿戴的补丁或胰岛素泵。 一些智能手表已经使用太阳能充电;为医疗用可穿戴技术的类似技术可以减少对电池的依赖。 光伏材料具有弹性、轻量和生物兼容性,正为此进行研究。 与超电容器结合进行能量储存,这些设备可以实现近乎永久的操作。

生态友好材料标准化

工业联合体和管理机构可以为医疗器械中使用的可生物降解和可回收材料制定标准,通过提供明确的材料选择、测试和处置准则来加快采用速度,诸如FDA装置和放射卫生中心[等组织已经对可持续性表现出兴趣,鼓励制造商在设计过程中考虑环境影响。

闭环系统和循环经济

除了单个设备外,循环经济模型可以应用于糖尿病管理的整体。 其中包括回收程序,在其中收集、拆卸和再生的传感器和泵,并将其回收到新产品中。 一些公司正在试点订阅服务,让患者获得可再使用的硬件,并且只更换可消耗性(如感应补丁),这些模型减少了浪费,并鼓励制造商设计寿命和可循环性。

大赦国际和减少废物预测分析

人工智能可以通过预测感应器何时会失效或者何时需要补充胰岛素来优化糖尿病装置的使用,将过早的替代降到最低。 智能算法还可以根据病人的活动来调整采样率,降低能耗。 通过利用数据分析,我们可以延长设备寿命并减少不必要的浪费,同时改善临床结果。

结论

开发生态友好型的IOT用于可持续糖尿病管理装置代表了医疗创新和环境责任的趋同。 通过将生物可降解材料、低能电子产品、能源采集和模块设计纳入其中,制造商可以在不牺牲性能或安全的情况下,大幅减少日常糖尿病护理的生态足迹。 尽管成本、耐久性和监管方面的挑战依然存在,但正在进行的研究和产业合作正在稳步克服这些挑战。 糖尿病管理的未来在于不仅监测和治疗疾病,而且保护地球的后代。 由于患者、临床医生和决策者越来越重视可持续性,投资于糖尿病的绿色IOT解决方案不仅仅是一个选择 — — 当务之急。

对于有兴趣进一步探索的人,世界卫生组织[提供了糖尿病负担的全面数据,而国际糖尿病联合会提供了对全球趋势的深刻见解,诸如ACS可持续化学和amp;工程和纳诺能等期刊的研究文章深入探讨了生物可降解传感器和能收系统的技术细节。