Dispositivo indossabile per monitorare il glucosio

Un team di ingegneri della Penn State ha progettato un nuovo dispositivo indossabile per il monitoraggio meno invasivo del glucosio che potrebbe diventare la norma.

I dispositivi non ivasivi per il monitoraggio del glucosio non sono attualmente disponibili in commercio negli Stati Uniti, quindi le persone con il diabete devono raccogliere campioni di sangue o utilizzare sensori incorporati sotto la pelle per misurare i loro livelli di zucchero nel sangue. Ora, con un nuovo dispositivo indossabile creato dai ricercatori della Penn State, il monitoraggio meno invasivo di glucosio potrebbe diventare la norma.

Il direttore dello studio è il dottor Huanyu “Larry” Cheng, (1) professore presso la Penn State's Department of Engineering Science and Mechanics. I ricercatori hanno pubblicato i dettagli del sensore non invasivo a basso costo, che può rilevare il glucosio nel sudore, sul giornale Biosensors and Bioelectronics. (2) Lo studio completo, disponibile online, verrà pubblicato nel numero di dicembre 2021.

I ricercatori hanno prima costruito il dispositivo con il grafene indotto dal laser (laser-induced graphene - LIG), un materiale costituito da strati di carbonio spesso come atomi in varie forme. Con un'elevata conduttività elettrica, LIG sembrava essere un framework ideale per il dispositivo di rilevamento - ma c'era un avvertimento significativo.

«La sfida qui è che il laser-induced graphene (LIG) non è sensibile al glucosio affatto», ha detto Cheng. «Quindi, avevamo bisogno di implementare un materiale sensibile al glucosio sul LIG».

Il team ha scelto il nichel per la sua alta sensibilità del glucosio, secondo Cheng, e l'ha combinato con oro per abbassare i potenziali rischi di una reazione allergica. I ricercatori hanno ipotizzato che il LIG distribuito con la lega di nichel-oro sarebbe in grado di rilevare basse concentrazioni di glucosio nel sudore sulla superficie della pelle.

Un materiale con alta sensibilità del glucosio era una priorità. Il sudore espone notevolmente basse concentrazioni di glucosio rispetto al sangue - ma, secondo Cheng, c'è una forte correlazione tra i livelli di glucosio nel sudore e nel sangue. Mentre la concentrazione di glucosio nel sudore è di circa 100 volte meno della concentrazione di sangue, il dispositivo della squadra è abbastanza sensibile da misurare accuratamente il glucosio nel sudore e riflettere la concentrazione di sangue.

La sensibilità della lega di Nickel-Gold ha permesso alla squadra del dottor Huanyu “Larry” Cheng di escludere gli enzimi, che sono spesso utilizzati per misurare il glucosio in dispositivi più invasivi e commercialmente disponibili o in monitor non invasivi proposti da altri ricercatori. Questi enzimi, tuttavia, possono degradare rapidamente con il tempo e con il cambiamento delle temperature.

Secondo il professor Cheng «Un sensore enzimatico deve essere mantenuto a una certa temperatura e pH e l'enzima non può essere immagazzinato a lungo termine. Un sensore di glucosio non enzimatico, d'altra parte, è vantaggioso in termini di prestazioni stabili e sensibilità al glucosio indipendentemente da queste modifiche».

I sensori non enzimatici richiedono una soluzione alcalina, che può danneggiare la pelle e tipicamente limita la vestibilità del dispositivo. Per frenare questo problema, Cheng e la sua squadra ha implementato una camera microfluidica alla lega di grafene indotto dal laser (laser-induced graphene - LIG). Questa camera è più piccola delle configurazioni sviluppate in precedenza per promuovere la vestibilità e la porosità per consentire una gamma di movimento, come lo stretching o la frantumazione. È collegata a un ingresso di raccolta che passa il sudore nella soluzione senza consentire ad essa di entrare in contatto con la pelle. La soluzione di base interagisce con le molecole di glucosio per produrre un composto che reagisce con la lega. Questa reazione attiva un segnale elettrico, indicando la concentrazione di glucosio nel sudore.

«Con una camera di soluzione alcalina più piccola, l'intero dispositivo raggiunge all'incirca la dimensione di un quarto ed è abbastanza flessibile da mantenere un attaccamento sicuro al corpo umano», ha detto Cheng.

In un test di verifica della teoria, i ricercatori hanno utilizzato un adesivo sicuro per fissare il dispositivo riutilizzabile al braccio di una persona un'ora e tre ore dopo un pasto. Il soggetto ha eseguito un breve allenamento - appena sufficiente per produrre sudore - a destra prima di ogni misurazione. Pochi minuti dopo aver raccolto il sudore, i ricercatori hanno scoperto che la concentrazione di glucosio rilevata è scesa dalla prima misurazione all'altra. Le misurazioni del glucosio dal dispositivo sono state verificate da misurazioni realizzate con un monitor glucosio disponibile in commercio.

Il professor Cheng, assieme alla sua squadra, vogliono ulteriormente migliorare il loro prototipo per applicazioni future, compreso il metodo in cui i pazienti o i medici possono utilizzare il sensore per le misurazioni di glucosio incrementale o il monitoraggio continuo per determinare le azioni di trattamento, come la somministrazione di insulina. Inoltre, essi intendono perfezionare ed espandere questa piattaforma per un monitoraggio più confortevole.

«Vogliamo interagire con i medici e altri fornitori di assistenza sanitaria con lo scopo di trovare come applicare al meglio questa tecnologia per il monitoraggio giornaliero di un paziente», ha detto Cheng. «Questo sensore di glucosio serve come esempio fondamentale per dimostrare che possiamo migliorare il rilevamento dei biomarcatori in sudore a concentrazioni estremamente basse».

Hanno collaborato a questa ricerca: co-primo autore Jia Zhu, co-primi autori Shangbin Liu, Zhihui Hu, Xianzhe Zhang, Ning Yi, Kairui Tang e Michael Gregory Dexheimer, Department of Engineering Science and Mechanics; Qing Wang with the Department of Materials Science and Engineering in the College of Earth and Mineral Sciences; Xiaojun Lian and Jian Yang with the Department of Biomedical Engineering; e Jennifer Gray with the Materials Research Institute. Hu is also affiliated with the Wuhan University of Technology in China, and Yi is also affiliated with the Penn State Department of Materials Science and Engineering. Cheng è anche affiliato con l'architectural engineering and biomedical engineering departments in the College of Engineering and the Department of Materials Science and Engineering in the Penn State College of Earth and Mineral Sciences, così come l'Engineering Energy and Environmental Institute, Materials Research Institute, e l'Institute for Computational and Data Sciences.

Questo lavoro scientifico è stato anche supportato dal National Science Foundation and the National Heart, Lung and Blood Institute of the National Institutes of Health (award number R61HL154215).

Riferimenti:

(1) Laser-induced graphene non-enzymatic glucose sensors for on-body measurements

(2) Huanyu “Larry” Cheng

Descrizione foto: I ricercatori della Penn State hanno sviluppato un prototipo di un sensore indossabile non ivasivo per il rilevamento del glucosio. - Credit: Jia Zhu, Penn State.

Autore traduzione riassuntiva e adattamento linguistico: Edoardo Capuano / Articolo originale: Monitoring glucose levels, no needles required