Nicht-invasive Geräte zur Blutzuckermessung sind derzeit in den Vereinigten Staaten nicht erhältlich, so dass Menschen mit Diabetes Blutproben entnehmen oder unter die Haut eingebettete Sensoren verwenden müssen, um ihren Blutzuckerspiegel zu messen. Mit einem neuen tragbaren Gerät, das von Forschern der Penn State University entwickelt wurde, könnte eine weniger aufdringliche Blutzuckermessung nun zur Norm werden.
Unter der Leitung von Huanyu "Larry" Cheng, Dorothy Quiggle Career Development Professor am Penn State Department of Engineering Science and Mechanics, veröffentlichten die Forscher in der Fachzeitschrift Biosensors and Bioelectronics "Laser-induced graphene non-enzymatic glucose sensors for on-body measurements" die Details des nicht-invasiven, kostengünstigen Sensors, der Glukose im Schweiß nachweisen kann.
Die Forscher konstruierten das Gerät zunächst mit laserinduziertem Graphen (LIG), einem Material, das aus atomdicken Kohlenstoffschichten in verschiedenen Formen besteht. Mit seiner hohen elektrischen Leitfähigkeit und einer günstigen Herstellungszeit von nur wenigen Sekunden schien LIG ein ideales Gerüst für den Sensor zu sein, aber es gab einen entscheidenden Nachteil. "Die Herausforderung besteht darin, dass LIG überhaupt nicht auf Glukose anspricht", so Cheng. "Wir mussten also ein glukoseempfindliches Material auf das LIG aufbringen."
Das Team entschied sich für Nickel, weil es laut Cheng sehr glukoseempfindlich ist, und kombinierte es mit Gold, um das Risiko einer allergischen Reaktion zu verringern. Die Forscher stellten die Hypothese auf, dass das mit der Nickel-Gold-Legierung ausgestattete LIG in der Lage sein würde, niedrige Konzentrationen von Glukose im Schweiß auf der Hautoberfläche zu erkennen.
Ein Material mit hoher Glukoseempfindlichkeit hatte Priorität. Schweiß weist im Vergleich zu Blut bemerkenswert niedrige Glukosekonzentrationen auf, aber laut Cheng gibt es eine starke Korrelation zwischen den Glukosekonzentrationen in Schweiß und Blut. Obwohl die Glukosekonzentration im Schweiß etwa 100-mal geringer ist als die im Blut, ist das Gerät des Teams empfindlich genug, um die Glukose im Schweiß genau zu messen und die Konzentration im Blut wiederzugeben.
Die Empfindlichkeit der Nickel-Gold-Legierung ermöglichte es dem Team um Cheng, Enzyme auszuschließen, die häufig zur Messung von Glukose in invasiveren, kommerziell erhältlichen Geräten oder in nicht-invasiven Messgeräten anderer Forscher verwendet werden. Diese Enzyme können sich jedoch mit der Zeit und bei wechselnden Temperaturen schnell zersetzen.
"Ein enzymatischer Sensor muss bei einer bestimmten Temperatur und einem bestimmten pH-Wert gehalten werden, und das Enzym kann nicht langfristig gelagert werden", so Cheng. "Ein nicht-enzymatischer Glukosesensor hat dagegen den Vorteil, dass er unabhängig von diesen Veränderungen eine stabile Leistung und Glukoseempfindlichkeit aufweist."
Nicht-enzymatische Sensoren benötigen eine alkalische Lösung, die die Haut schädigen kann und in der Regel die Tragbarkeit des Geräts einschränkt. Um dieses Problem einzudämmen, haben Cheng und sein Team eine mikrofluidische Kammer an der LIG-Legierung angebracht. Diese Kammer ist kleiner als die zuvor entwickelten Konfigurationen, um die Tragbarkeit zu verbessern, und porös, um eine Reihe von Bewegungen wie Dehnung oder Quetschung zu ermöglichen. Sie ist mit einem Sammeleinlass verbunden, der Schweiß in die Lösung leitet, ohne dass die Lösung die Haut berührt. Die Basislösung interagiert mit den Glukosemolekülen und erzeugt eine Verbindung, die mit der Legierung reagiert. Diese Reaktion löst ein elektrisches Signal aus, das die Konzentration von Glukose im Schweiß anzeigt.
Mit einer kleineren Laugenkammer hat das gesamte Gerät etwa die Größe eines Viertels und ist flexibel genug, um sicher am menschlichen Körper zu haften, so Cheng.
In einem Proof-of-Concept-Test verwendeten die Forscher einen hautsicheren Klebstoff, um das wiederverwendbare Gerät eine Stunde und drei Stunden nach einer Mahlzeit am Arm einer Person zu befestigen. Unmittelbar vor jeder Messung führte die Testperson ein kurzes Training durch, das gerade ausreichte, um Schweiß zu produzieren. Wenige Minuten nach der Schweißabnahme stellten die Forscher fest, dass die ermittelte Glukosekonzentration von der ersten Messung zur nächsten abnahm. Die Glukosemessungen des Geräts wurden durch Messungen mit einem handelsüblichen Glukosemessgerät verifiziert.
Cheng und das Team planen, ihren Prototyp für künftige Anwendungen zu verbessern. Dazu gehört auch die Frage, wie Patienten oder Kliniker den Sensor für inkrementelle Glukosemessungen oder eine kontinuierliche Überwachung nutzen können, um Behandlungsmaßnahmen wie die Verabreichung von Insulin zu bestimmen. Sie beabsichtigen auch, diese Plattform für eine komfortablere Überwachung anderer Biomarker zu verfeinern und zu erweitern, die im Schweiß oder in den interstitiellen Flüssigkeiten, die den Raum zwischen den Zellen im Körper ausfüllen, gefunden werden können.
"Wir wollen mit Ärzten und anderen Gesundheitsdienstleistern zusammenarbeiten, um zu sehen, wie wir diese Technologie für die tägliche Überwachung eines Patienten einsetzen können", so Cheng. "Dieser Glukosesensor dient als grundlegendes Beispiel, um zu zeigen, dass wir die Erkennung von Biomarkern im Schweiß in extrem niedrigen Konzentrationen verbessern können."
Für weitere Informationen:
https://www.psu.edu/news/research/story/monitoring-glucose-levels-no-needles-required/ [This is automatically translated from English]