La diabetes es una enfermedad crónica común con riesgos importantes. La tecnología de monitorización continua de glucosa (MCG) existente-aprobada por la FDA con electrodos implantables es propensa a sufrir efectos secundarios como dolor e infección debido a sus electrodos largos. Los dispositivos de microagujas, con agujas que varían desde unos pocos cientos de micrómetros hasta unos pocos milímetros de longitud, pueden penetrar el estrato córneo sin tocar los vasos sanguíneos o los nervios, ofreciendo las ventajas de ser indoloros y mínimamente invasivos. También pueden utilizar matrices para detectar múltiples analitos, lo que proporciona información más directa y precisa sobre la bioquímica del líquido intersticial que las tecnologías no-invasivas.
Los estudios clínicos han demostrado que el seguimiento de múltiples marcadores bioquímicos es crucial para evaluar la diabetes. Las alteraciones en la homeostasis de la glucosa pueden afectar las concentraciones de electrolitos y el equilibrio ácido-base. Los marcadores metabólicos como el ácido úrico y el colesterol también están estrechamente asociados con la diabetes y sus complicaciones. Por ejemplo, los niveles elevados de ácido úrico pueden aumentar el riesgo de nefropatía diabética o diabetes tipo 2. Las tecnologías de monitoreo no-invasivas están sujetas a interferencias de factores ambientales y tienen dificultades para reflejar la verdadera concentración de analitos en el líquido subcutáneo o la sangre. Los sensores mínimamente invasivos enfrentan desafíos como procesamiento difícil, dificultad de monitoreo en entornos complejos, señales de monitoreo inestables-a largo plazo y riesgos asociados con los métodos de calibración tradicionales.
Con este fin, el equipo de investigación desarrolló una matriz de electrodos de microagujas multiplexadas auto-calibradas (SC-MMNEA), que puede controlar nueve analitos biológicos, incluidos la glucosa y el colesterol, en tiempo real e in situ. Inspirado en las púas en forma de aguja-y las múltiples papilas gustativas de la lengua felina, el sistema consta de un sensor de matriz de microagujas multi-analito, un módulo de auto-calibración y un módulo de circuito electrónico. Cada microaguja está dirigida a un analito específico, y el número y la función de las microagujas se pueden diseñar de manera flexible, lo que permite realizar pruebas personalizadas.
SC-MMNEA ofrece importantes ventajas: en primer lugar, es menos invasivo e indoloro que los métodos de prueba implantables tradicionales; en segundo lugar, utiliza una serie de microagujas discretas, evitando la interferencia causada por la modificación química directa; en tercer lugar, las microagujas se pueden combinar de manera flexible para satisfacer las necesidades de pruebas de múltiples-parámetros; cuarto, puede detectar selectivamente múltiples analitos en el líquido intersticial in situ; y quinto, su módulo de auto-calibración elimina la necesidad de tomar muestras de sangre invasivas, abordando los desafíos de calibración de los MCG tradicionales.
Para mejorar el rendimiento, las microagujas se modifican primero con nanotubos de carbono (CNT) y luego se recubren con poli(3,4-etilendioxitiofeno):poliestirenosulfonato (PEDOT:PSS) para formar un nanocompuesto, que luego se modifica en varios electrodos funcionales. Los metabolitos y las especies reactivas de oxígeno se detectan mediante electrodos enzimáticos mediante amperometría, mientras que los iones se detectan mediante una membrana selectiva de iones. Durante las pruebas in vitro, se utiliza una membrana selladora para simular el estrato córneo de la piel y las microagujas penetran la membrana para detectar concentraciones de analito.
El módulo de auto-calibración inyecta una solución estándar de concentración conocida en el líquido intersticial a través de microagujas huecas. Los electrodos de microagujas adyacentes miden la concentración, estableciendo una relación de señal-concentración. Se genera una curva estándar para calibrar las señales en otros puntos temporales y corregir la concentración medida. El análisis de la cuadrícula de errores mostró que los errores de medición de glucosa y colesterol después de la autocalibración fueron de 11,33 ± 8,24 % y 9,43 ± 8,37 %, respectivamente, y ambos cumplieron con los requisitos clínicos; los errores de indicadores como el lactato y el ácido úrico también se redujeron significativamente después de la calibración y la precisión de los datos fue alta.
SC-MMNEA, validado mediante simulaciones COMSOL, experimentos in vitro y modelos de ratas, puede registrar continuamente las concentraciones de múltiples analitos en tiempo real. Su función de auto-calibración aborda el problema de la menor precisión con la implantación a largo plazo-. Utilizando una estrategia de fabricación híbrida, los electrodos de microagujas son reemplazables, lo que potencialmente amplía sus capacidades para detectar moléculas adicionales. Sin embargo, el dispositivo debe almacenarse en un entorno rico en nitrógeno-con baja-temperatura y está diseñado para un solo-uso. El trabajo futuro requerirá optimizar la consistencia de los lotes de sensores y la uniformidad del recubrimiento para la producción industrial.
En comparación con las tiras reactivas de glucosa en sangre tradicionales y los MCG-de función única, SC-MMNEA puede monitorear múltiples indicadores bioquímicos en tiempo real, proporcionando evaluaciones integrales de la salud y el estado fisiológico de los pacientes diabéticos. Tiene el potencial de promover la aplicación de dispositivos de diagnóstico portátiles para el monitoreo a largo plazo-de sustancias químicas en el cuerpo.