米国では現在、非侵襲的なグルコースモニタリング機器が市販されていないため、糖尿病患者は採血するか、皮下に埋め込まれたセンサーで血糖値を測定する必要がある。しかし、ペンシルベニア州立大学の研究者が開発した新しいウェアラブル端末を使えば、より負担の少ない血糖値測定が可能になるかもしれません。
ペンシルベニア州立大学工学部機械工学科のDorothy Quiggleキャリア開発教授であるHuanyu "Larry" Chengが率いる研究チームは、汗中のグルコースを検出できる非侵襲的で低コストのセンサーの詳細をBiosensors and Bioelectronics誌に発表しました。 "体内測定用レーザー誘起グラフェン非酵素型グルコースセンサー"。
研究者らはまず、レーザー誘起グラフェン（LIG）という、さまざまな形状の原子レベルの厚さの炭素層からなる材料を使って、デバイスを構築した。LIGは、高い導電性をもち、作製時間も数秒と簡便であるため、センシングデバイスの理想的な骨格と思われたが、重大な注意点があった。「LIGはグルコースに対して全く感度がないのです」とCheng教授は言う。「そこで、グルコースに感応する材料をLIGに蒸着する必要があったのです」。
研究チームは、Chengによると、強力なグルコース感受性を持つニッケルを選択し、アレルギー反応の潜在的リスクを低減するために、金と組み合わせました。研究者らは、ニッケル-金合金を装着したLIGが、皮膚表面の汗に含まれる低濃度のグルコースを検出できると仮定した。
グルコース感度の高い素材が優先された。汗は血液に比べて著しく低いグルコース濃度を示すが、Cheng氏によると、汗と血液中のグルコース濃度には強い相関があるという。汗の中のブドウ糖濃度は血液中の約100分の1だが、この装置の感度は、汗の中のブドウ糖を正確に測定し、血液中の濃度を反映するのに十分である。
このニッケル-金合金の感度のおかげで、Cheng教授のチームは、より侵襲的な市販の装置や他の研究者が提案する非侵襲的モニターでグルコースの測定によく使われる酵素を除外することができたのだ。しかし、これらの酵素は、時間の経過や温度の変化ですぐに分解されてしまう。
「酵素センサーは、一定の温度とpHに保つ必要があり、酵素を長期保存することはできません」とChengは言う。"一方、非酵素型グルコースセンサーは、これらの変化に関係なく、安定した性能とグルコース感度の点で有利です。"
非酵素型センサーは、アルカリ溶液を必要とし、これは、皮膚を傷つけ、一般的にデバイスの装着性を制限する可能性があります。この問題を抑制するため、Cheng教授と彼のチームは、LIG合金にマイクロ流体チャンバを取り付けた。このチャンバーは、装着性を高めるためにこれまで開発された構成よりも小さく、伸縮や圧壊などのさまざまな動きを可能にするために多孔質になっている。これは、溶液が皮膚に触れることなく汗を溶液に通す収集口に接続されている。基本溶液はグルコース分子と相互作用して、合金と反応する化合物を生成する。この反応が電気信号の引き金となり、汗に含まれるグルコースの濃度が示される。
アルカリ性溶液の容器を小さくしたことで、装置全体はほぼ4分の1サイズとなり、人体にしっかりと固定できる柔軟性を備えている、とCheng氏は述べた。
研究者たちは、食後1時間と3時間後に、皮膚に安全な接着剤を使って、再利用可能な装置を人の腕に装着する概念実証試験を行った。被験者は、各測定時間の直前に、汗が出る程度の短い運動を行った。汗をかいた数分後、検出されたグルコース濃度が最初の測定から次の測定まで低下していることが分かった。 この装置によるグルコース測定値は、市販のグルコースモニターによる測定値で検証された。
Cheng教授と研究チームは、このプロトタイプをさらに改良し、将来的には、患者や臨床医がグルコースの増量測定や、インスリン投与などの治療効果を判定するための連続モニタリングに利用できるようにすることを計画している。また、汗や体内の細胞と細胞の間にある間質液に含まれるバイオマーカーをより快適にモニタリングするために、このプラットフォームを改良・拡張する予定です。
「私たちは、医師や他の医療従事者と協力して、この技術を患者の日常的なモニタリングに応用したいと考えています」とChengは述べています。"このグルコースセンサーは、極めて低濃度の汗中のバイオマーカーの検出を改善できることを示す基礎的な例として役立っています。"
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