Wetenschap
Continue niet-invasieve glucosemeting aan de horizon met de ontwikkeling van een nieuwe optische sensor
Decennia lang vertrouwden mensen met diabetes op vingerprikken om bloed af te nemen of op zelfklevende micronaalden om hun glucosewaarden te meten en te beheersen. Deze methoden zijn niet alleen pijnlijk, maar kunnen ook jeuk, ontstekingen en infecties veroorzaken.
Onderzoekers van TMOS, het Australian Research Council Centre of Excellence for Transformative Meta-Optical Systems, hebben een belangrijke stap gezet in de richting van het elimineren van dit ongemak. Hun RMIT University-team heeft nieuwe aspecten van de infraroodsignatuur van glucose ontdekt en heeft deze informatie gebruikt om een geminiaturiseerde optische sensor met een diameter van slechts 5 mm te ontwikkelen die op een dag zou kunnen worden gebruikt voor continue niet-invasieve glucosemonitoring bij diabetesmanagement.
Niet-invasieve glucosemeting is al bijna 30 jaar een doelwit vanwege de implicaties ervan voor pijnvrije monitoring. Er zijn optische glucosedetectietechnieken gerapporteerd; Ze vereisen echter complexe optische instrumenten die doorgaans in laboratoria worden aangetroffen, waardoor ze niet geschikt zijn voor regelmatig gebruik door patiënten.
De belangrijkste uitdaging waarmee betaalbare, draagbare optische glucosetests worden geconfronteerd, is de miniaturisatie en het filteren van de glucosesignalen uit waterabsorptiepieken in het nabij-infraroodspectrum (NIR). In wezen is het bijna onmogelijk geweest om nauwkeurig onderscheid te maken tussen water en glucose in het bloed. Tot nu toe.
In een uniek onderzoek gepubliceerd in Advanced Sensor Research heeft het team vier infraroodpieken in glucose geïdentificeerd die selectieve en gevoelige identificatie in waterige en biologische omgevingen mogelijk maken. Het team wil graag samenwerken met academische en industriële partners om dit werk voort te zetten en preklinisch en klinisch onderzoek uit te voeren, wat de deur zou openen voor de ontwikkeling van draagbare optische glucosesensoren.
Het team heeft een geminiaturiseerde glucosesensor vervaardigd op een golfband van 1.600–1.700 nm, voorzien van Bluetooth en werkt met een knoopcelbatterij, die continue glucosemonitoring mogelijk maakt. Deze compacte sensor heeft zijn levensvatbaarheid aangetoond door glucoseniveaus in het menselijk lichaam te detecteren, variërend van 50 tot 400 mg/dl in bloedplasma, met een vergelijkbare detectielimiet en gevoeligheid als grotere, laboratoriumgebaseerde sensoren. Door zijn kleine afmetingen zou het op een dag kunnen worden geïntegreerd in smartwatches en andere pijnvrije draagbare gezondheidstrackers.
Hoofdauteur, RMIT Ph.D. wetenschapper Mingjie Yang, zegt:"Tot nu toe bestaat er geen consensus over de unieke spectroscopische signatuur van glucose, grotendeels omdat de O-H-bindingen waarop in nabij-infrarood (NIR) spectroscopie voor glucosedetectie wordt gericht, ook overvloedig aanwezig zijn in water. Deze gelijkenis maakt het een uitdaging om onderscheid maken tussen glucose- en watersignalen, vooral in complexe biologische vloeistoffen en weefsels.
"We hebben de spectroscopie-opstelling geoptimaliseerd en de transmissie geanalyseerd om pieken te identificeren die uniek zijn voor glucose. Onze ontdekking levert eindelijk de informatie op die nodig is om verder te gaan met geminiaturiseerde optische glucosedetectie en we hebben een prototype van een apparaat ontwikkeld om de basis te leggen voor een futuristische, niet-invasieve glucosesensor."
Het prototype van het apparaat maakt gebruik van een op het oppervlak gemonteerde lichtgevende diode (SMD LED) en circuits gemaakt van dunne-film kopergecoat polymide (Cu/PI) van slechts 110 micron dik, ontwikkeld met een laserpatroontechnologie. De millimeterschaal en het lichtgewicht ontwerp van dit apparaat maken het aanzienlijk compacter dan traditionele tafelspectrofotometers. Bovendien biedt het flexibele patch-achtige ontwerp de toekomstige mogelijkheid van direct lezen als draagbaar apparaat op de menselijke huid.
De prestaties van het apparaat zijn uitvoerig geëvalueerd met behulp van waterige glucoseoplossingen en bloedplasma. Er is een computationele analyse van licht-huidinterferentie uitgevoerd die aangeeft hoe de SMD-LED de huid zal binnendringen. Simulatieresultaten suggereren veelbelovende locaties voor toekomstige verkenning van optische glucosedetectie in klinische opstellingen.
TMOS-hoofdonderzoeker Madhu Bhaskaran zegt:"Het niet-invasieve karakter van optische glucosesensoren heeft het potentieel om de therapietrouw van de patiënt te verbeteren, het ongemak te verminderen en de risico's op infecties die gepaard gaan met invasieve glucosemonitoring te verlagen. Met de juiste medewerkers/partners en de juiste financiering , kan dit een belangrijke verschuiving betekenen naar continue en pijnloze glucosemeting."
Draagbare sensoren, zoals deze ontwikkeld door TMOS-onderzoekers van RMIT, maken deel uit van Center's Meta Health Sensors Flagship Program, een toegepast onderzoeksprogramma dat zich richt op de ontwikkeling van meta-optische sensoren voor MedTech-toepassingen.
RMIT University heeft een patentaanvraag ingediend met betrekking tot de optische glucosesensortechnologie die het team heeft ontwikkeld.