Bệnh tiểu đường là một bệnh mãn tính phổ biến với những rủi ro đáng kể. Công nghệ theo dõi đường huyết liên tục (CGM) hiện được FDA- phê duyệt với các điện cực cấy ghép dễ gây ra các tác dụng phụ như đau và nhiễm trùng do các điện cực dài của nó. Các thiết bị microneedle, với những chiếc kim có chiều dài từ vài trăm micromet đến vài mm, có thể xuyên qua lớp sừng mà không chạm vào mạch máu hoặc dây thần kinh, mang lại ưu điểm là không gây đau đớn và ít xâm lấn. Họ cũng có thể sử dụng mảng để phát hiện nhiều chất phân tích, cung cấp thông tin trực tiếp và chính xác hơn về sinh hóa chất lỏng kẽ so với các công nghệ không-xâm lấn.
Các nghiên cứu lâm sàng đã chỉ ra rằng việc theo dõi nhiều dấu hiệu sinh hóa là rất quan trọng để đánh giá bệnh tiểu đường. Sự rối loạn cân bằng nội môi glucose có thể ảnh hưởng đến nồng độ chất điện giải và cân bằng axit-bazơ. Các dấu hiệu chuyển hóa như axit uric và cholesterol cũng có liên quan chặt chẽ với bệnh tiểu đường và các biến chứng của nó. Ví dụ, nồng độ axit uric tăng cao có thể làm tăng nguy cơ mắc bệnh thận do tiểu đường hoặc tiểu đường tuýp 2. Công nghệ giám sát không xâm lấn-có thể bị ảnh hưởng bởi các yếu tố môi trường và gặp khó khăn trong việc phản ánh nồng độ thực sự của chất phân tích trong dịch dưới da hoặc máu. Cảm biến xâm lấn tối thiểu phải đối mặt với những thách thức như xử lý khó khăn, khó giám sát trong môi trường phức tạp, tín hiệu giám sát dài hạn-không ổn định và rủi ro liên quan đến các phương pháp hiệu chuẩn truyền thống.
Để đạt được mục tiêu này, nhóm nghiên cứu đã phát triển dãy điện cực vi kim đa kênh tự hiệu chuẩn (SC-MMNEA), có thể giám sát chín chất phân tích sinh học, bao gồm glucose và cholesterol, trong thời gian thực và tại chỗ. Lấy cảm hứng từ những ngạnh giống như chiếc kim và nhiều nụ vị giác của lưỡi mèo, hệ thống này bao gồm một cảm biến mảng vi kim đa{4}}phân tích, một mô-đun tự hiệu chuẩn và một mô-đun mạch điện tử. Mỗi microneedle được nhắm mục tiêu đến một chất phân tích cụ thể, đồng thời số lượng và chức năng của microneedles có thể được thiết kế linh hoạt, cho phép thử nghiệm tùy chỉnh.
SC-MMNEA mang lại những lợi thế đáng kể: Thứ nhất, nó ít xâm lấn và không gây đau đớn hơn các phương pháp thử nghiệm cấy ghép truyền thống; thứ hai, nó sử dụng một loạt các vi kim rời rạc, tránh nhiễu xuyên âm do biến đổi hóa học trực tiếp gây ra; thứ ba, các kim siêu nhỏ có thể được kết hợp linh hoạt để đáp ứng nhu cầu kiểm tra nhiều{1}}thông số; thứ tư, nó có thể phát hiện có chọn lọc nhiều chất phân tích trong dịch kẽ tại chỗ; và thứ năm, mô-đun tự hiệu chuẩn của nó giúp loại bỏ nhu cầu lấy mẫu máu xâm lấn, giải quyết các thách thức về hiệu chuẩn của CGM truyền thống.
Để nâng cao hiệu suất, trước tiên, các vi kim được biến đổi bằng ống nano carbon (CNT), sau đó được phủ bằng poly(3,4-ethylenedioxythiophene):polystyrenesulfonate (PEDOT:PSS) để tạo thành nanocompozit, sau đó được biến tính thành nhiều điện cực chức năng khác nhau. Các chất chuyển hóa và các loại oxy phản ứng được phát hiện bằng cách sử dụng điện cực enzyme sử dụng ampe kế, trong khi các ion được phát hiện bằng màng chọn lọc ion. Trong quá trình thử nghiệm in vitro, một màng kín được sử dụng để mô phỏng lớp sừng của da và các vi kim xuyên qua màng để phát hiện nồng độ chất phân tích.
Mô-đun tự hiệu chuẩn-sẽ bơm dung dịch chuẩn có nồng độ đã biết vào chất lỏng kẽ thông qua các kim siêu nhỏ rỗng. Các điện cực microneedle liền kề sẽ đo nồng độ, thiết lập mối quan hệ nồng độ tín hiệu-. Một đường cong chuẩn được tạo ra để hiệu chỉnh tín hiệu tại các thời điểm khác và điều chỉnh nồng độ đo được. Phân tích lưới lỗi cho thấy sai số đo glucose và cholesterol sau khi-tự hiệu chỉnh lần lượt là 11,33±8,24% và 9,43±8,37%, cả hai đều đáp ứng yêu cầu lâm sàng; sai số của các chỉ tiêu như lactate, acid uric cũng giảm đáng kể sau khi hiệu chuẩn, độ chính xác số liệu cao.
SC-MMNEA, được xác thực thông qua mô phỏng COMSOL, thí nghiệm trong ống nghiệm và mô hình chuột, có thể liên tục ghi lại nồng độ của nhiều chất phân tích trong thời gian thực. Tính năng tự hiệu chỉnh của nó giải quyết vấn đề giảm độ chính xác khi cấy ghép dài hạn. Bằng cách sử dụng chiến lược sản xuất kết hợp, các điện cực microneedle có thể thay thế được, có khả năng mở rộng khả năng phát hiện các phân tử bổ sung. Tuy nhiên, thiết bị phải được bảo quản ở môi trường-nhiệt độ thấp, giàu nitơ-và được thiết kế để sử dụng-một lần. Công việc trong tương lai sẽ yêu cầu tối ưu hóa tính nhất quán của lô cảm biến và tính đồng nhất của lớp phủ cho sản xuất công nghiệp.
So với que thử đường huyết truyền thống và CGM-chức năng đơn lẻ, SC-MMNEA có thể theo dõi nhiều chỉ số sinh hóa trong thời gian thực, đưa ra đánh giá toàn diện về sức khỏe và tình trạng sinh lý của bệnh nhân tiểu đường. Nó có khả năng thúc đẩy việc ứng dụng các thiết bị chẩn đoán có thể đeo để theo dõi-lâu dài các chất hóa học trong cơ thể.