針不要、グルコースレベルをモニタリング

October, 23, 2023, Unversity Park--非侵襲的グルコースモニタリングデバイスは現在米国では市販されていないため、糖尿病患者は血液サンプルを収集するか、皮膚の下に埋め込まれたセンサを使用して血糖値を測定する必要がある。今回、ペンシルベニア州立大学(Penn State)の研究者によって開発された新しいウェアラブルデバイスでは、非侵襲グルコースモニタリングが標準になる可能性がある。

Penn Stateの理工・機械工学科のDorothy Quiggleキャリア開発教授Huanyu “Larry” Chengが率いる研究者たちは、バイオセンサとバイオエレクトロニクスで汗中のブドウ糖を検出できる非侵襲的で低コストのセンサの詳細を発表した。

研究チームは、様々な形状の原子厚炭素層からなる材料、レーザ誘起グラフェン(LIG)を使用して、最初にデバイスを構築した。高い導電性とわずか数秒の便利な製造時間により、LIGはセンシングデバイスの理想的なフレームワークであるように見えたが、重要な注意点があった。

「ここでの課題は、LIGがグルコースにまったく敏感ではないことである。そのため、グルコース感受性物質をLIGに堆積させる必要があった」(Cheng)。

Cheng氏によると、チームはその強力なグルコース感受性のためにニッケルを選択し、アレルギー反応の潜在的なリスクを下げるためにそれを金と組み合わせていた。研究チームは、ニッケル-金合金を装備したLIGが皮膚表面の汗中の低濃度のグルコースを検出できると仮定した。

グルコース感受性の高い材料が優先された。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によれば、汗と血液のグルコースレベルの間には強い相関関係がある。汗中のブドウ糖の濃度は血液中の濃度の約100分の1であるが、チームのデバイスは汗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な感度を持っている。

ニッケル-金合金の感度により、Chengのチームは、より侵襲的な市販デバイスまたは他の研究者によって提案された非侵襲的モニターでグルコースを測定するためによく使用される酵素を除外することができた。ただし、これらの酵素は、時間と温度の変化とともに急速に分解する可能性がある。

「酵素センサは特定の温度とpHに保つ必要があり、酵素を長期間保存することはできない。一方、非酵素的グルコースセンサは、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ある」(Cheng)。

非酵素センサにはアルカリ溶液が必要だが、これは皮膚に損傷を与える可能性があり、通常はデバイスの装着性を制限する。この問題を抑制するために、ChengとチームはLIG合金にマイクロ流体チャンバを取り付けた。このチャンバは、着用性を促進するために以前に開発された構成よりも小さく、伸縮や破砕などのさまざまな動きを可能にする多孔質。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入口に接続されている。塩基性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。この反応は電気信号のトリガーとなり、汗中のグルコース濃度を示す。

Chengによると、アルカリ溶液チャンバが小さいため、デバイス全体がほぼ4分の1のサイズになり、人体への安全な取り付けを維持するのに十分な柔軟性がある。

概念実証テストでは、研究チームは皮膚に安全な接着剤を使用して、食事の1時間後と3時間後に再利用可能なデバイスを人の腕に取り付けた。被験者は、各測定時間の直前に、汗をかくのにちょうど十分な簡単なトレーニングを行った。汗を集めてから数分後、チームは検出されたグルコース濃度が最初の測定から次の測定に低下することを発見した。装置からのグルコース測定は、市販のグルコースモニタで行われた測定によって検証された。

Chengとチームは、患者や臨床医が血糖値増加量測定や継続的なモニタリングにセンサを使用してインスリンの投与などの治療行動を決定する方法に対処するなど、将来のアプリケーション向けにプロトタイプを改善する予定である。チームはまた、体内の細胞間のスペースを埋める汗や間質液に見られる他のバイオマーカをより快適にモニタするために、このプラットフォームを改良、拡張する予定である。

「われわれは医師や他の医療提供者と協力して、この技術を患者の毎日のモニタリングにどのように適用できるかを確認したいと考えている。このグルコースセンサは、非常に低濃度の汗中のバイオマーカの検出を改善できることを示す基本的な例として役立つ」とChengはコメントしている。