סוכרת היא מחלה כרונית שכיחה עם סיכונים משמעותיים. טכנולוגיית ניטור גלוקוז מתמשך (CGM) הקיימת -ה-FDA עם אלקטרודות מושתלות מועדת לתופעות לוואי כגון כאב וזיהום עקב האלקטרודות הארוכות שלה. מכשירי Microneedle, עם מחטים באורך של כמה מאות מיקרומטרים עד כמה מילימטרים בודדים, יכולים לחדור לשכבת הקרנית מבלי לגעת בכלי דם או עצבים, ומציעים את היתרונות של חוסר כאב ופולשני זעיר. הם יכולים גם להשתמש במערכים כדי לזהות אנליטים מרובים, ולספק מידע ישיר ומדויק יותר על ביוכימיה של נוזלים ביניים מאשר טכנולוגיות לא-פולשניות.
מחקרים קליניים הראו שמעקב אחר סמנים ביוכימיים מרובים הוא חיוני להערכת סוכרת. הפרעות בהומאוסטזיס של גלוקוז עלולות להשפיע על ריכוזי האלקטרוליטים ועל איזון הבסיס של חומצות-. גם סמנים מטבוליים כגון חומצת שתן וכולסטרול קשורים קשר הדוק לסוכרת ולסיבוכיה. לדוגמה, רמות גבוהות של חומצת שתן עשויות להגביר את הסיכון לנפרופתיה סוכרתית או סוכרת מסוג 2. טכנולוגיות ניטור לא-פולשניות נתונות להפרעות מגורמים סביבתיים ומאבקים לשקף את הריכוז האמיתי של אנליטים בנוזל תת עורי או בדם. חיישנים זעיר פולשניים מתמודדים עם אתגרים כמו עיבוד קשה, קושי בניטור בסביבות מורכבות, אותות ניטור-לא יציבים לטווח ארוך וסיכונים הקשורים לשיטות כיול מסורתיות.
לשם כך, צוות המחקר פיתח מערך אלקטרודות מיקרו-מחטים (SC-MMNEA) מכיול עצמי-, שיכול לנטר תשעה אנליטים ביולוגיים, כולל גלוקוז וכולסטרול, בזמן אמת ובמקום. בהשראת המחט-כמו דוקרנים ובלוטות טעם מרובות של לשון החתול, המערכת מורכבת מחישן מערך מיקרו-מחטים מרובה-אנליטים, מודול כיול עצמי- ומודול מעגלים אלקטרוניים. כל מיקרו-מחט ממוקדת לאנליט ספציפי, וניתן לעצב את המספר והתפקוד של המיקרו-מחטים בצורה גמישה, מה שמאפשר בדיקה מותאמת אישית.
SC-MMNEA מציעה יתרונות משמעותיים: ראשית, היא פחות פולשנית וללא כאבים משיטות בדיקה מסורתיות הניתנות להשתלה; שנית, היא משתמשת במערך של מיקרו-מחטים נפרדות, תוך הימנעות משיח הצלב הנגרם על ידי שינוי כימי ישיר; שלישית, ניתן לשלב את המיקרו-מחטים בצורה גמישה כדי לענות על צרכי בדיקות מרובות-פרמטרים; רביעית, הוא יכול לזהות באופן סלקטיבי מספר אנליטים בנוזל ביניים באתרו; וחמישית, מודול הכיול העצמי שלו-מבטל את הצורך בדגימת דם פולשנית, ונותן מענה לאתגרי הכיול של CGMs מסורתיים.
כדי לשפר את הביצועים, המיקרו-מחטים עוברות תחילה שינוי עם ננו-צינוריות פחמן (CNTs) ולאחר מכן מצופות בפולי(3,4-ethylenedioxythiophene):polystyrenesulfonate (PEDOT:PSS) ליצירת ננו-מרוכב, אשר לאחר מכן משתנה לאלקטרודות פונקציונליות שונות. מטבוליטים ומיני חמצן תגובתיים מתגלים באמצעות אלקטרודות אנזים באמצעות אמפרומטריה, בעוד שיונים מתגלים באמצעות ממברנה סלקטיבית ליונים. במהלך בדיקה חוץ גופית, נעשה שימוש בקרום איטום כדי לדמות את שכבת הקרנית של העור, והמיקרו-מחטים חודרות את הממברנה כדי לזהות ריכוזי אנליטים.
מודול הכיול העצמי מזריק פתרון סטנדרטי בריכוז ידוע לנוזל הביניים דרך המחטים החלולות. אלקטרודות מיקרו-מחטים סמוכות מודדות את הריכוז, ויוצרות קשר ריכוז אות-. נוצרת עקומה סטנדרטית כדי לכייל את האותות בנקודות זמן אחרות ולתקן את הריכוז הנמדד. ניתוח רשת שגיאות הראה ששגיאות המדידה של גלוקוז וכולסטרול לאחר-כיול עצמי היו 11.33±8.24% ו-9.43±8.37%, בהתאמה, שתיהן עומדות בדרישות הקליניות; גם השגיאות של אינדיקטורים כמו לקטט וחומצת שתן הופחתו משמעותית לאחר כיול, ודיוק הנתונים היה גבוה.
SC-MMNEA, מאומת באמצעות סימולציות של COMSOL, ניסויים במבחנה ומודלים של חולדות, יכול להקליט באופן רציף את הריכוזים של אנליטים מרובים בזמן אמת. תכונת הכיול העצמי שלו-מטפלת בבעיה של ירידה ברמת הדיוק בהשתלה-לטווח ארוך. תוך שימוש באסטרטגיית ייצור היברידית, אלקטרודות המיקרו-מחטים ניתנות להחלפה, מה שעלול להרחיב את היכולות שלה לזהות מולקולות נוספות. עם זאת, המכשיר חייב להיות מאוחסן בסביבה-נמוכה, עשירה בחנקן- והוא מיועד לשימוש חד פעמי. עבודה עתידית תדרוש אופטימיזציה של עקביות אצווה חיישנים ואחידות ציפוי לייצור תעשייתי.
בהשוואה לרצועות בדיקת גלוקוז בדם מסורתיות ו-CGMs-יחידות, SC-MMNEA יכול לנטר מספר אינדיקטורים ביוכימיים בזמן אמת, ולספק הערכות מקיפות של המצב הבריאותי והפיזיולוגי של חולי סוכרת. יש לו פוטנציאל לקדם את היישום של מכשירי אבחון לבישים לניטור-לטווח ארוך של חומרים כימיים בגוף.