Диабет — это заболевание, при котором поджелудочная железа больше не вырабатывает инсулин, необходимый организму, или, альтернативно, организм не может использовать вырабатываемый инсулин, вызывая нарушение регуляции уровня глюкозы в крови. Легкие симптомы диабета варьируются от жажды и учащенного мочеиспускания до гораздо более серьезных осложнений, включая заболевания почек, сердечно-сосудистые заболевания, длительную нетрудоспособность и смерть.
Таким образом, мониторинг уровня глюкозы в крови имеет чрезвычайное значение для пациентов с сахарным диабетом и обычно достигается путем взятия небольшого количества крови из пальца с помощью ланцета для определения уровня глюкозы в крови. Однако эта форма сбора может быть болезненной и неудобной и не информирует о скачках уровня глюкозы в крови вне времени тестирования.
Микроэлектронные системы все чаще способны осуществлять непрерывный мониторинг уровня глюкозы в крови способом, доступным обычным пользователям в повседневной жизни.
Большинство датчиков уровня глюкозы в крови работают по электрохимическим принципам и с использованием ферментов, либо измеряя потребление кислорода или выработку перекиси водорода во время реакций, стимулируемых ферментом глюкозооксидазой, между глюкозой и флавинадениндинуклеотидом, либо путем измерения переноса электронов от ферментов глюкозооксидазы к электроду.
Таким образом, более высокая концентрация продукта реакции или электрического тока указывает на более высокую концентрацию глюкозы и более высокий уровень сахара в крови. Непрерывные микроэлектронные мониторы уровня сахара в крови разрабатываются с 1970-х и 80-х годов, а первый пример in vivo был продемонстрирован в 1982 году. Существующие в настоящее время подкожные мониторы уровня сахара в крови обычно работают таким же образом, как и современные глюкометры для проведения уколов, и используют тонкие иглы для контроля поступления интерстициальной жидкости в устройство; из-за опасений, связанных с загрязнением и риском свертывания крови, мониторы не контактируют с кровью напрямую.
Новые инновации, использующие диализные мембраны, дополнительно отделили интерстициальную жидкость от датчика и обеспечивают большую точность, чем датчики игольчатого типа.
Современный непрерывный монитор уровня глюкозы в крови, разработанный Chien et al. (2022), использует чрескожные матрицы микроигл, изготовленные из игл из нержавеющей стали длиной 1 мм и толщиной 0,1 мм. Одна половина массива игл покрыта золотом, чтобы действовать в качестве противоэлектрода, в то время как другая содержит полианилин и золото в качестве рабочего электрода, а участок, покрытый хлоридом серебра, служит электродом сравнения.
Затем фермент глюкозооксидаза захватывается пористым слоем полианилина, который действует как проводящий полимер для переноса электронов. Затем поверх игл был нанесен дополнительный слой 2-гидроксиэтилметакрилата (HEMA), чтобы защитить фермент от деградации и действовать как мембрана, ограничивающая уровень глюкозы.
Внутри контура глюкоза и кислород вступают в реакцию под действием глюкозооксидазы с образованием глюконолактона и перекиси водорода; рабочий и противоэлектрод в настоящее время прошли через них, в то время как электрод сравнения остается нейтральным.
Во время химической реакции электроны могут переноситься на рабочий электрод и, таким образом, изменять там ток, количественно свидетельствующий о продолжающемся образовании и разложении перекиси водорода. Устройство использует только небольшие напряжения около 5 В и чрезвычайно малые токи менее 100 нА, что означает возможность использования очень маленьких батареек, а само устройство построено на чипе размером примерно с SD-карту. Матрица микроигл удерживается на руке с помощью бинта или изоленты и не вызывает кровотечения или заметных ранений при удалении.
Также было разработано несколько типов неинвазивных мониторов уровня глюкозы в крови, в которых в основном используются оптические методы анализа для трансдермального определения уровня глюкозы или в оптической камере глаза. Например, инфракрасные спектрометры были встроены в носимые браслеты, которые способны проникать на несколько миллиметров вглубь кожи при обнаружении глюкозы.
В отличие от инфракрасных спектрометров с преобразованием Фурье, предназначенных для анализа широкого спектра соединений и, следовательно, требующих возбуждения образца в широком диапазоне длин волн инфракрасного излучения для обнаружения резонансных связей атомов, мониторы уровня глюкозы в крови могут быть настроены таким образом, чтобы специально излучать свет на длинах волн, наиболее соответствующих глюкозе. Однако многие виды инфракрасного излучения относительно плохо проникают через ткани человека, в значительной степени поглощаясь из-за большой концентрации воды в организме человека.
Другие аналитические методы, такие как рамановская спектроскопия, также использовались в неинвазивных мониторах уровня глюкозы, которые функционируют путем обнаружения рассеяния света на молекулах глюкозы в связи с колебательными режимами сложных атомных связей и в меньшей степени подвержены влиянию воды и других изменений окружающей среды, чем инфракрасная спектроскопия, хотя, поскольку лазеры малой мощности должны при использовании против человеческого организма этот метод может пострадать из-за низкого отношения сигнал/шум.
Методы, основанные на окклюзионной спектроскопии, оптической поляриметрии, фотоакустической спектроскопии, микроволновой спектроскопии и других аналитических технологиях, также были адаптированы для целей мониторинга уровня глюкозы в крови. Тем не менее, на данном этапе большинство из них трудно миниатюризировать за пределами портативных систем, хотя они могли бы оказаться полезными в качестве альтернативы инвазивному тесту на укол.
В последние десятилетия число больных сахарным диабетом резко возросло в глобальном масштабе, как правило, в связи с увеличением доступности продуктов с высоким содержанием сахара, которые составляют значительную часть рациона питания на Западе. Хотя диабет и не приводит к летальному исходу, он может привести к серьезным осложнениям и даже смерти и создает значительную нагрузку на здравоохранение, связанную с постоянным медицинским обследованием и лечением.
Улучшая постоянный контроль уровня глюкозы в крови, пациенты с сахарным диабетом могут значительно снизить вероятность негативных исходов в будущем. В тяжелых случаях нарушения регуляции уровня глюкозы в крови, когда требуется постоянный мониторинг и коррекция уровня глюкозы в крови, могут использоваться автоматические инсулиновые помпы, которые непосредственно вводят инсулин в жировую ткань под кожей через канюлю и микрофлюидное устройство, и в будущем такие устройства могут быть стандартно интегрированы в мониторы уровня глюкозы в крови для среднестатистических пациентов. больной сахарным диабетом.
