Diabetes er en vanlig kronisk sykdom med betydelig risiko. Eksisterende FDA-godkjent teknologi for kontinuerlig glukoseovervåking (CGM) med implanterbare elektroder er utsatt for bivirkninger som smerte og infeksjon på grunn av lange elektroder. Microneedle-enheter, med nåler som strekker seg fra bare noen få hundre mikrometer til noen få millimeter i lengde, kan trenge inn i stratum corneum uten å berøre blodkar eller nerver, og gir fordelene ved å være smertefri og minimalt invasiv. De kan også bruke arrays for å oppdage flere analytter, og gir mer direkte og nøyaktig informasjon om interstitiell væskebiokjemi enn ikke-invasive teknologier.
Kliniske studier har vist at overvåking av flere biokjemiske markører er avgjørende for å vurdere diabetes. Forstyrrelser i glukosehomeostase kan påvirke elektrolyttkonsentrasjoner og syre-basebalanse. Metabolske markører som urinsyre og kolesterol er også nært forbundet med diabetes og dens komplikasjoner. For eksempel kan forhøyede urinsyrenivåer øke risikoen for diabetisk nefropati eller type 2 diabetes. Ikke-invasiv overvåkingsteknologi er utsatt for interferens fra miljøfaktorer og sliter med å reflektere den sanne konsentrasjonen av analytter i subkutan væske eller blod. Minimalt invasive sensorer møter utfordringer som vanskelig prosessering, problemer med overvåking i komplekse miljøer, ustabile langsiktige overvåkingssignaler og risiko forbundet med tradisjonelle kalibreringsmetoder.
For dette formål utviklet forskerteamet en selv-kalibrerende multiplexed microneedle electrode array (SC-MMNEA), som kan overvåke ni biologiske analytter, inkludert glukose og kolesterol, i sanntid og in situ. Inspirert av nålen-som mothaker og flere smaksløker fra kattetungen, består systemet av en multi-analytmikronålssensor, en selv-kalibreringsmodul og en elektronisk kretsmodul. Hver mikronål er målrettet mot en spesifikk analytt, og antallet og funksjonen til mikronålene kan utformes fleksibelt, noe som muliggjør tilpasset testing.
SC-MMNEA gir betydelige fordeler: For det første er den mindre invasiv og smertefri enn tradisjonelle implanterbare testmetoder; for det andre bruker den en rekke diskrete mikronåler, og unngår krysstale forårsaket av direkte kjemisk modifikasjon; for det tredje kan mikronålene kombineres fleksibelt for å møte behov for testing av flere-parametere; for det fjerde kan den selektivt oppdage flere analytter i interstitiell væske in situ; og for det femte eliminerer dens selv-kalibreringsmodul behovet for invasiv blodprøvetaking, og tar opp kalibreringsutfordringene til tradisjonelle CGMer.
For å forbedre ytelsen blir mikronålene først modifisert med karbon-nanorør (CNT) og deretter belagt med poly(3,4-etylendioksytiofen):polystyrensulfonat (PEDOT:PSS) for å danne en nanokompositt, som deretter modifiseres ytterligere til forskjellige funksjonelle elektroder. Metabolitter og reaktive oksygenarter påvises ved hjelp av enzymelektroder ved bruk av amperometri, mens ioner påvises ved hjelp av en ioneselektiv membran. Under in vitro-testing brukes en forseglingsmembran for å simulere hudens stratum corneum, og mikronålene trenger inn i membranen for å oppdage analyttkonsentrasjoner.
Selv-kalibreringsmodulen injiserer en standardløsning med kjent konsentrasjon inn i interstitialvæsken gjennom de hule mikronålene. Tilstøtende mikronålelektroder måler konsentrasjonen, og etablerer et signal-konsentrasjonsforhold. En standardkurve genereres for å kalibrere signalene på andre tidspunkter og korrigere den målte konsentrasjonen. Feilnettanalyse viste at målefeilene for glukose og kolesterol etter egen-kalibrering var henholdsvis 11,33±8,24 % og 9,43±8,37 %, begge oppfylte kliniske krav; feilene til indikatorer som laktat og urinsyre ble også betydelig redusert etter kalibrering, og datanøyaktigheten var høy.
SC-MMNEA, validert gjennom COMSOL-simuleringer, in vitro-eksperimenter og rottemodeller, kan kontinuerlig registrere konsentrasjonene av flere analytter i sanntid. Dens egen-kalibreringsfunksjon løser problemet med redusert nøyaktighet ved lang-implantasjon. Ved å bruke en hybrid produksjonsstrategi er mikronålelektrodene utskiftbare, noe som potensielt utvider mulighetene for å oppdage flere molekyler. Enheten må imidlertid oppbevares i et miljø med lav-temperatur og nitrogen-, og den er utformet for engangsbruk-. Fremtidig arbeid vil kreve optimalisering av sensorbatch-konsistens og beleggsenhet for industriell produksjon.
Sammenlignet med tradisjonelle blodsukkerteststrimler og enkeltfunksjons-CGM-er, kan SC-MMNEA overvåke flere biokjemiske indikatorer i sanntid, og gi omfattende vurderinger av helsen og den fysiologiske statusen til diabetespasienter. Den har potensial til å fremme bruken av bærbare diagnostiske enheter for lang-overvåking av kjemiske stoffer i kroppen.