Ein eingebautes tragbares „Hautlabor“, das kontinuierlich Glukose, Alkohol und Laktat überwacht

Das Gerät kann im Alltag am Oberarm getragen werden. Bildnachweis: Labor für Nanoelektronik / University of California, San Diego

Stellen Sie sich vor, Sie könnten Ihren Blutzuckerspiegel messen, sehen, ob Sie zu viel Alkohol zu trinken haben, und Ihre Muskelermüdung während des Trainings verfolgen, alles in einem kleinen Gerät, das auf Ihrer Haut getragen wird. Ingenieure der University of California San Diego (UCSD) haben einen Prototyp eines solchen tragbaren Geräts entwickelt, das mehrere Gesundheitsstatistiken – Glukose-, Alkohol- und Laktatspiegel – gleichzeitig in Echtzeit überwachen kann.

“Das ist wie ein komplettes Labor auf der Haut.” – Josef Wang

Die Multitasking-Maschine hat gerade einmal die Größe eines Sechsviertelstapels. Es wird durch ein Klettverschluss-ähnliches Pflaster aus Mikronadeln oder Mikronadeln, die jeweils etwa ein Fünftel der Breite eines menschlichen Haares haben, auf die Haut aufgetragen. Das Tragen des Geräts ist nicht schmerzhaft – die feinen Nadeln dringen kaum in die Hautoberfläche ein, um Biomoleküle in der interstitiellen Flüssigkeit, der Flüssigkeit, die die Zellen unter der Haut umgibt, zu erfassen. Das Gerät kann am Oberarm getragen werden und sendet Daten drahtlos an eine spezielle Smartphone-App.

Forscher des UC San Diego Center for Wearable Sensors beschreiben ihr Gerät in einer heute (9. Mai 2022) in der Zeitschrift veröffentlichten Forschungsarbeit Das Wesen der biomedizinischen Technik.


Das Gerät kann am Oberarm getragen werden und sendet Daten drahtlos an eine spezielle Smartphone-App. Bildnachweis: Labor für Nanoelektronik / University of California, San Diego

„Das ist wie ein ganzes Hautlabor“, sagte Zentrumsdirektor Joseph Wang, Professor für Nanotechnik an der University of California, San Diego und Mitautor der Forschungsarbeit. “Es ist in der Lage, mehrere Vitalfunktionen gleichzeitig kontinuierlich zu messen, sodass Benutzer ihre Gesundheit und ihr Wohlbefinden überwachen können, während sie ihren täglichen Aktivitäten nachgehen.”

Die meisten kommerziellen Gesundheitsmonitore, wie z. B. kontinuierliche Glukosemonitore für Diabetiker, messen nur ein Signal. Das Problem dabei, so die Forscher, ist, dass Informationen weggelassen werden, die beispielsweise Menschen mit Diabetes helfen könnten, ihre Krankheit effektiver zu bewältigen. Die Überwachung des Alkoholspiegels ist hilfreich, da das Trinken von Alkohol den Glukosespiegel senken kann. Die Kenntnis beider Werte kann Diabetikern helfen, zu verhindern, dass der Blutzucker nach einem Getränk zu stark abfällt. Die Kombination von Informationen über Laktat, das während des Trainings als Biomarker für Muskelermüdung überwacht werden kann, ist auch deshalb vorteilhaft, weil körperliche Aktivität die Fähigkeit des Körpers beeinflusst, Glukose zu regulieren.

“Durch tragbare Geräte können Menschen die Wechselwirkung zwischen hoher oder niedriger Glukose mit ihrer Ernährung, Bewegung und dem Konsum alkoholischer Getränke sehen. Dies kann auch zu ihrer Lebensqualität beitragen”, sagte Farshad Tehrani, PhD, ein Nanoingenieurstudent in Wang und one’s lab. Co-Autoren der Studie.

Mikronadeln verschmolzen mit Elektronik

Das Wearable besteht aus einem Mikronadelpflaster, das an einer Elektronikbox befestigt ist. Verschiedene Enzyme an den Spitzen der Mikronadeln reagieren mit Glukose, Alkohol und Laktat in der interstitiellen Flüssigkeit. Diese Wechselwirkungen erzeugen winzige elektrische Ströme, die von elektronischen Sensoren analysiert und drahtlos an eine von den Forschern entwickelte Anwendung geliefert werden. Die Ergebnisse werden in Echtzeit auf einem Smartphone angezeigt.

Einweg-Mikronadelpflaster

Das Einweg-Mikronadelpflaster ist von der wiederverwendbaren elektronischen Hülle getrennt. Bildnachweis: Labor für Nanoelektronik / University of California, San Diego

Der Vorteil der Verwendung feiner Nadeln besteht darin, dass sie eine Probe direkt aus der interstitiellen Flüssigkeit entnehmen, und Untersuchungen haben gezeigt, dass die in dieser Flüssigkeit gemessenen biochemischen Werte gut mit den Werten im Blut korrelieren.

„Wir beginnen mit dieser Technologie in Bezug auf klinische Gültigkeit und Relevanz an einem wirklich guten Punkt“, sagte Patrick Mercier, Professor für Elektrotechnik und Computertechnik an der University of California in San Diego und Mitautor der Veröffentlichung. “Dies senkt die Barrieren für die klinische Übersetzung.”

Das Einweg-Mikronadelpflaster kann zum einfachen Austausch vom Elektronikgehäuse getrennt werden. Das wiederverwendbare Elektronikgehäuse enthält die Batterie, elektronische Sensoren, Funksender und andere elektronische Komponenten. Das Gerät kann auf jedem kabellosen Ladegerät aufgeladen werden, das für Telefone und Smartwatches verwendet wird.

Multifunktionale tragbare Mikronadel-Aufladung

Das Gerät kann auf einem vorgefertigten kabellosen Ladepad aufgeladen werden. Bildnachweis: Labor für Nanoelektronik / University of California, San Diego

All diese Komponenten zusammen in ein kleines, tragbares drahtloses Gerät zu integrieren, war eine der größten Herausforderungen des Teams. Es erforderte auch einiges an cleverem Design und Technik, um wiederverwendbare Elektronik, die trocken gehalten werden muss, mit einem Mikronadelpflaster zu kombinieren, das einer biologischen Flüssigkeit ausgesetzt ist.

“Das Schöne daran ist, dass es sich um ein vollständig integriertes System handelt, das jeder tragen kann, ohne auf Over-the-Table-Geräte beschränkt zu sein”, sagte Mercier, der auch Co-Direktor des UC San Diego Center for Wearable Sensors ist.

Tests

Getestet wurde das Wearable an fünf Freiwilligen, die das Gerät am Oberarm trugen, während sie trainierten, eine Mahlzeit zu sich nahmen und ein Glas Wein tranken. Das Gerät wurde verwendet, um den Glukosespiegel der Freiwilligen gleichzeitig mit ihrem Alkohol- oder Laktatspiegel kontinuierlich zu überwachen. Die vom Gerät durchgeführten Glukose-, Alkohol- und Laktatmessungen stimmten eng mit denen überein, die nacheinander von einem handelsüblichen Blutzuckermessgerät, einem Alkoholanalysegerät und den in einem Labor durchgeführten Blutlaktatmessungen durchgeführt wurden.

Nächste Schritte

Farshad Tehrani und Co-Erstautor Hazir Timurian, ein ehemaliger Postdoktorand in Wangs Labor, gründeten gemeinsam ein Startup namens AquilX, um die Technologie für die Kommerzialisierung weiterzuentwickeln. Die nächsten Schritte umfassen das Testen und Optimieren, wie lange das Mikronadelpflaster halten kann, bevor es ersetzt wird. Das Unternehmen freut sich auch über die Möglichkeit, dem Gerät weitere Sensoren hinzuzufügen, um den Medikamentenspiegel der Patienten und andere Gesundheitssignale zu überwachen.

Referenz: „Ein tragbares integriertes Mikronadel-Array zur kontinuierlichen Überwachung mehrerer Biomarker in interstitieller Flüssigkeit“ 9. Mai 2022 Hier verfügbar Das Wesen der biomedizinischen Technik.
DOI: 10.1038 / s41551-022-00887-1

Finanzierung: National Institutes of Health/National Institute of Neurological Disorders and Stroke

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