过去十年来,1型糖尿病的治疗被闭眼胰岛素输送系统所重塑,这些系统通常被称为人工胰腺装置。 这些系统结合了连续的葡萄糖监测器(CGM)和胰岛素泵,并采用了基于实时葡萄糖读数自动调整胰岛素输送的算法。 虽然目前的人工胰岛素装置大大改善了糖体控制并减少了恒定自我管理的负担,但它们仍然依赖必须每七至十四天更换一次并最终造成医疗废物的感应器部件。新一轮研究正在探索如何使用可降解的传感器,这些传感器可以在功能寿命后溶解或安全地在体内破裂。这些传感器保证减少手术风险、改善病人的舒适度并降低糖尿病护理的环境足迹。 本文审查了生物降解传感器背后的科学、其与下一代人工胰岛系统的潜在结合、现存的障碍以及临床收养的前景。

今天的人工泛管设备如何运作

人工胰腺装置更确切地称为混合闭锁管系统,它由三个主要部分组成:每几分钟测量间质葡萄糖水平的CGM、提供快速作用胰岛素的胰岛素泵、使用CGM数据指挥泵增加、减少或暂停胰岛素的分泌的控制算法。 目标是尽可能地将血葡萄糖保持在目标范围内,减少高血糖和低血糖。此外,这些传感器及其发射器在病人寿命期间产生电子废物,这需要每一次使用100个型糖尿病。

什么是生物降解传感器?

生物可降解传感器是从材料中制造的可移植或可穿戴的装置,这些材料在达到目的后可分解为无害副产品;在人工胰腺系统方面,生物可降解传感器最好在一定时期内——可能为几周或几个月——发挥CGM的作用,然后降解为物质,使身体能够安全地代谢或排出;这就不需要另外的去除程序,减少了旧传感器产生的不可降解废物的积累;在材料科学和微分化的推动下,过去五年中,生物可降解电子的研究加快了,常见的可降解材料包括丝纤维素、纤维素、多(立体-共糖酸)、镁、锌和某些有机半导体,这些材料可以根据应用情况,从几天到几个月按可控制的速度进行降解。

可生物降解葡萄糖传感器关键材料候选人

硅纤维素是一种从丝虫茧中迅速分解出的一种蛋白质,具有生物兼容性,机械活性,可以加工成薄膜或水凝胶,这些薄膜或水凝胶是糖敏感酶或纳米粒子的寄生体。丝质传感器可以通过调整加工条件来适应数周到数月的降解。] 镁] 锌 是一种金属,在生理环境中可快速分解,它们可作为导电或电极溶解。 PLGA 和其他合成聚合物通常被用到可逆接和药物输送系统中;它们可降解成能自然消除的能降解的糖酸。

将可生物降解传感器纳入人工活化聚苯乙烯

将当前可支配的可降解化晶体传感器转向完全生物可降解传感器,需要重新思考整个传感器设计、供电和无线通信。 虽然传感器材料本身可以使生物可降解,但相关的电子—传输器、天线、电池-也必须是生物可降解的,或必须设计成能留在机体外。正在调查的一个方法是两部分系统:使用由生物燃料电池(也可生物可降解)提供电能的可降解分光传感器,以及一个可穿戴的补丁,通过短程无线读取数据并将其传递到胰岛泵和控制器。生物燃料电池可以从组织中取出葡萄糖和氧气,从而消除外部电池的需求。在诸如[ MIT的媒体实验室 和 MITZürich[F:3]等机构的研究人员都证明,生物可降解感应具有长期运行的原型生物燃料电池,然而,将生物可降解感应结合闭锁-胶管工程交付所需的可靠性和准确性挑战。

潜在系统架构

  • 下皮可生物降解感应阵列:[ 在皮肤下放置有多分糖感应元素的小型柔性补丁,每个分解时间略有不同,以提供连续覆盖.
  • 可降解生物燃料电池: 将葡萄糖和氧气转化为电力,为传感器和微小的发射机提供动力。燃料电池在能量输出下降后也会降解。
  • 瞬间无线标记:[用镁和丝制成的将葡萄糖数据传输给外接机的电路,标记可以被设计为湿润后或设定后溶解.
  • 外接和控制器:可穿戴设备(如智能表或泵),接收传感器数据,运行闭路算法,并指挥胰岛素泵.

临床和环境效益

生物可降解传感器比永久性或再被更换的传感器具有若干优点:

当前的挑战和技术障碍

尽管有希望,但必须克服若干重大障碍,才能将生物可降解传感器用于人工胰腺装置:

终生感应稳定性和准确性

主要的挑战是在整个功能期间保持准确的葡萄糖读数,特别是传感器开始降解时。随着材料腐蚀或破裂,电化学特性发生变化,导致校准中的漂移。当前的CGM要求每几个小时或几天使用指棒血葡萄糖读数进行校准;生物可降解的传感器需要自校机制或长期稳定期才能临床上接受。研究人员正在探索使用 致理感知[——测量两个信号的比例,其中一个信号也是降解的参考,以纠正漂移。自然生物医学工程[A的研究显示,一种以丝为基的葡萄糖感知器在老鼠体内保持了两周以上的准确性,但将可推广到人类使用,并延长可耐久度到几个月,仍然是积极调查的领域。

生物相容性和外国机构反应

即使是可生物降解的材料,也可能触发免疫反应. 身体可能将传感器封入纤维胶囊,将其从间质液中分离出并造成信号丢失. 研究人员正在用免疫分泌涂层(例如用去克萨美沙酮还原PLGA)涂上传感器来抑制外体反应. 降解副产品本身也必须是无毒的,并且不应该引起局部炎症. 镁降解释放出能产生下皮口袋的氢气;设计必须允许气体安全扩散.

电力和无线通信

为生物可降解传感器提供动力是非三相的。 收获葡萄糖的生物燃料电池的功率有限(按每平方厘米微瓦计算),可能不足以持续无线传输。研究人员正在利用由碳纳米管和纤维素所制成的可降解超电容器来调查能量储存,这种电容器可以储存能量,从而可以间歇地进行传输。或者,该传感器可以通过利用解析电圈进行电源耦合,从外部源进行无线供电。苏黎世大学的团队报告,一个完全可生物可降解的无线电接收器可以使被植入的传感器在没有内部电池的情况下进行通信。

制造业和成本可扩展性

生产具有商业规模一致性的可生物降解传感器具有挑战性,许多材料(如丝绸纤维素)来自具有批次到批次可变性的天然产品,清洁室的制造工艺必须加以调整,以处理可生物降解组件,而不会在组装过程中使其退化,生物可降解传感器与已建立的可支配传感器的经济可行性取决于生物相容材料的成本和可靠设备的产量,工业合作,如Medtronic[和学术实验室之间的伙伴关系,对于弥合原型到产品的空白至关重要。

条例

包括FDA和EMA在内的监管机构尚未为生物可降解医疗电子产品确定明确的路径,涉及药物(如防炎涂层)和装置的组合产品需要更复杂的提交材料,降解产品必须长期证明安全,传感器的性能必须等同于或优于现有的CMM。 欧洲正在进行早期临床试验,以研究其他应用(如:颅内压力监测)的生物可降解传感器,这可能为糖尿病装置铺平道路。

未来方向和持续研究

几个令人兴奋的研究线可以加速向人工胰腺系统生物可降解传感器的过渡:

临床收养之路

虽然完全生物可降解的人工胰腺传感器的愿景还远在数年之内,但正在取得渐进进展。 最有可能的近期应用是生物可降解的CGM,它持续2至4周,并更换了目前的可支配传感器,同时仍然与外部发射机无线连接。 仅此一项就可以减少浪费和插入频率。下一步是完全植入的生物可降解系统,并配有生物燃料电池,运行3至6个月。 假设成功解决了功率和准确性挑战,可以于5至7年内开始对这些装置进行临床试验。关键里程碑包括:

  1. 在大型动物模型中演示至少30天的稳定葡萄糖感知.
  2. 发展符合医学级通信标准的无线,可生物降解的数据链接(如医学植入通信服务).
  3. 第一阶段的人类试验,以确认生物相容性,并且没有不良的降解影响。
  4. 枢轴试验从时间距离和安全的角度将可生物降解的人工胰腺系统与标准闭环系统进行比较.

结论

生物降解感应器是糖尿病技术中的一个前沿,它与更广泛的推动可持续、对病人友好的医疗设备一致。 通过消除外科手术、减少浪费和潜在的长期植入,它们可以改善数百万患有一型糖尿病的人的生活质量。 挑战很大,但材料科学、生物电子学和算法控制的趋同正在使这种可能性更接近现实。 随着研究的继续和制造规模的扩大,下一代人工胰腺不仅可以自动调节葡萄糖,而且不会留下痕迹。