Ingenieurs van de University of California San Diego hebben een miniatuur ontwikkeld, ultra-low power injecteerbare biosensor die kan worden gebruikt voor continue, alcoholcontrole op lange termijn. De chip is klein genoeg om in het lichaam net onder het huidoppervlak te worden geïmplanteerd en wordt draadloos aangedreven door een draagbaar apparaat. zoals een smartwatch of patch.

"Het uiteindelijke doel van dit werk is het ontwikkelen van een routine, onopvallend alcohol- en drugsbewakingsapparaat voor patiënten in behandelingsprogramma's voor middelenmisbruik, " zei Drew Hall, een professor elektrotechniek aan de UC San Diego Jacobs School of Engineering die het project leidde. Hall is ook aangesloten bij het Center for Wireless Communications en het Center for Wearable Sensors, beide aan UC San Diego. Het team van Hall presenteerde dit werk op de 2018 IEEE Custom Integrated Circuits Conference (CICC) op 10 april in San Diego.

Een van de uitdagingen voor patiënten in behandelprogramma's is het gebrek aan handige hulpmiddelen voor routinematige monitoring. blaastesten, momenteel de meest gebruikelijke manier om het alcoholgehalte in het bloed te schatten, zijn onhandige apparaten die door de patiënt moeten worden geïnitieerd en die niet zo nauwkeurig zijn, Hall merkte op. Een bloedtest is de meest nauwkeurige methode, maar het moet worden uitgevoerd door een getrainde technicus. Op tatoeages gebaseerde alcoholsensoren die op de huid kunnen worden gedragen, zijn een veelbelovend nieuw alternatief, maar ze kunnen gemakkelijk worden verwijderd en zijn slechts voor eenmalig gebruik.

"Een kleine injecteerbare sensor - die zonder operatie in een kliniek kan worden toegediend - zou het voor patiënten gemakkelijker kunnen maken om gedurende langere tijd een voorgeschreven bewakingskuur te volgen, ' zei Hal.

De biosensorchip is ongeveer één kubieke millimeter groot en kan onder de huid worden geïnjecteerd in interstitiële vloeistof, de vloeistof die de lichaamscellen omringt. Het bevat een sensor die is gecoat met alcoholoxidase, een enzym dat selectief interageert met alcohol om een ​​bijproduct te genereren dat elektrochemisch kan worden gedetecteerd. De elektrische signalen worden draadloos verzonden naar een draagbaar apparaat in de buurt, zoals een smartwatch, die de chip ook draadloos van stroom voorziet. Twee extra sensoren op de chip meten achtergrondsignalen en pH-waarden. Deze worden geannuleerd om de alcoholmeting nauwkeuriger te maken.

De onderzoekers ontwierpen de chip om zo min mogelijk stroom te verbruiken:in totaal 970 nanowatt, dat is ongeveer een miljoen keer minder stroom dan een smartphone verbruikt tijdens het bellen. "We willen niet dat de chip een significante impact heeft op de levensduur van de batterij van het draagbare apparaat. En aangezien we dit implanteren, we willen niet dat er lokaal veel warmte wordt gegenereerd in het lichaam of een batterij die potentieel giftig is, ' zei Hal.

Een van de manieren waarop de chip op zo'n ultralaag vermogen werkt, is door gegevens te verzenden via een techniek die backscattering wordt genoemd. Dit gebeurt wanneer een apparaat in de buurt, zoals een smartwatch, radiofrequentiesignalen naar de chip stuurt, en de chip stuurt gegevens door die signalen te wijzigen en terug te reflecteren naar de smartwatch. De onderzoekers ontwierpen ook ultra-low power sensor-uitleescircuits voor de chip en minimaliseerden de meettijd tot slechts drie seconden. wat resulteert in minder stroomverbruik.

De onderzoekers testten de chip in vitro met een opstelling die een geïmplanteerde omgeving nabootste. Het ging om mengsels van ethanol in verdund menselijk serum onder lagen varkenshuid.

Voor toekomstige studies, de onderzoekers zijn van plan de chip te testen in levende dieren. Hall's groep werkt samen met CARI Therapeutics, een startup gevestigd in de Qualcomm Institute Innovation Space aan de UC San Diego, en Dr. Carla Marienfeld, een verslavingspsychiater aan de UC San Diego die gespecialiseerd is in de behandeling van personen met stoornissen in verband met middelenmisbruik, om de chip te optimaliseren voor monitoring van de volgende generatie revalidatie. De groep van Hall ontwikkelt versies van deze chip die andere moleculen en medicijnen in het lichaam kunnen volgen.

"Dit is een proof-of-concept platformtechnologie. We hebben aangetoond dat deze chip kan werken voor alcohol, maar we stellen ons voor om anderen te creëren die verschillende soorten misbruik kunnen detecteren en een aangepaste cocktail van hen in een patiënt kunnen injecteren om langdurige, gepersonaliseerde medische controle, ' zei Hal.