مرض السكري هو مرض مزمن شائع وله مخاطر كبيرة. إن تقنية المراقبة المستمرة للجلوكوز (CGM) المعتمدة من إدارة الغذاء والدواء الأمريكية (FDA) باستخدام الأقطاب الكهربائية القابلة للزرع معرضة لآثار جانبية مثل الألم والعدوى بسبب أقطابها الكهربائية الطويلة. يمكن لأجهزة الإبر الدقيقة، التي يتراوح طول إبرها من بضع مئات من الميكرومترات إلى بضعة ملليمترات، أن تخترق الطبقة القرنية دون لمس الأوعية الدموية أو الأعصاب، مما يوفر مزايا كونها غير مؤلمة وبأقل تدخل جراحي. ويمكنهم أيضًا استخدام المصفوفات لاكتشاف التحليلات المتعددة، مما يوفر معلومات مباشرة ودقيقة أكثر عن الكيمياء الحيوية للسوائل الخلالية مقارنة بالتقنيات غير الغازية.
أظهرت الدراسات السريرية أن مراقبة العلامات البيوكيميائية المتعددة أمر بالغ الأهمية لتقييم مرض السكري. يمكن أن تؤثر الاضطرابات في توازن الجلوكوز على تركيزات الإلكتروليت والتوازن الحمضي-القاعدي. ترتبط أيضًا العلامات الأيضية مثل حمض اليوريك والكوليسترول ارتباطًا وثيقًا بمرض السكري ومضاعفاته. على سبيل المثال، ارتفاع مستويات حمض اليوريك قد يزيد من خطر اعتلال الكلية السكري أو مرض السكري من النوع 2. تخضع تقنيات المراقبة غير الغازية- للتدخل من العوامل البيئية وتكافح لتعكس التركيز الحقيقي للتحليلات في السائل تحت الجلد أو الدم. تواجه أجهزة الاستشعار ذات التدخل البسيط تحديات مثل المعالجة الصعبة، وصعوبة المراقبة في البيئات المعقدة، وإشارات المراقبة غير المستقرة على المدى الطويل-، والمخاطر المرتبطة بطرق المعايرة التقليدية.
ولتحقيق هذه الغاية، قام فريق البحث بتطوير-مصفوفة أقطاب كهربائية ذات إبر دقيقة متعددة المعايرة (SC-MMNEA)، والتي يمكنها مراقبة تسعة تحليلات بيولوجية، بما في ذلك الجلوكوز والكوليسترول، في الوقت الفعلي وفي الموقع. مستوحى من الإبرة-مثل الأشواك وبراعم التذوق المتعددة بلسان القطط، يتكون النظام من مستشعر مصفوفة إبرة مجهرية متعددة-تحليلية، ووحدة معايرة ذاتية-، ووحدة دائرة إلكترونية. يتم توجيه كل إبرة مجهرية إلى مادة تحليلية محددة، ويمكن تصميم عدد ووظيفة الإبر الدقيقة بمرونة، مما يسمح بإجراء اختبار مخصص.
يقدم SC-MMNEA مزايا كبيرة: أولاً، إنه أقل تدخلاً وغير مؤلم من طرق الاختبار التقليدية القابلة للزرع؛ ثانيًا، يستخدم مجموعة من الإبر الدقيقة المنفصلة، لتجنب التداخل الناتج عن التعديل الكيميائي المباشر؛ ثالثًا، يمكن دمج الإبر الدقيقة بمرونة لتلبية -احتياجات اختبار المعلمات المتعددة؛ رابعًا، يمكنه الكشف بشكل انتقائي عن تحليلات متعددة في السائل الخلالي في الموقع؛ وخامسًا، تعمل وحدة المعايرة الذاتية- على التخلص من الحاجة إلى أخذ عينات دم غازية، مما يؤدي إلى مواجهة تحديات المعايرة التي تواجهها أجهزة مراقبة الغلوكوز المستمرة التقليدية.
لتحسين الأداء، يتم تعديل الإبر الدقيقة أولاً باستخدام أنابيب الكربون النانوية (CNTs) ثم يتم تغليفها بمادة بولي (3,4-إيثيلين ديوكسي ثيوفين): بوليستيرين سلفونات (PEDOT:PSS) لتشكيل مركب نانوي، والذي يتم تعديله بعد ذلك إلى أقطاب كهربائية وظيفية مختلفة. يتم الكشف عن المستقلبات وأنواع الأكسجين التفاعلية باستخدام أقطاب الإنزيم باستخدام قياس التيار، بينما يتم الكشف عن الأيونات باستخدام غشاء انتقائي للأيونات. أثناء الاختبار في المختبر، يتم استخدام غشاء مانع للتسرب لمحاكاة الطبقة القرنية للجلد، وتخترق الإبر الدقيقة الغشاء للكشف عن تركيزات المادة التحليلية.
تقوم وحدة المعايرة الذاتية- بحقن محلول قياسي بتركيز معروف في السائل الخلالي من خلال الإبر الدقيقة المجوفة. تقوم أقطاب الإبرة الدقيقة المجاورة بقياس التركيز، وإنشاء علاقة تركيز الإشارة -. يتم إنشاء منحنى قياسي لمعايرة الإشارات في نقاط زمنية أخرى وتصحيح التركيز المقاس. أظهر تحليل شبكة الأخطاء أن أخطاء قياس الجلوكوز والكوليسترول بعد المعايرة الذاتية كانت 11.33±8.24% و9.43±8.37%، على التوالي، وكلاهما يستوفي المتطلبات السريرية؛ كما تم أيضًا تقليل أخطاء المؤشرات مثل اللاكتات وحمض البوليك بشكل ملحوظ بعد المعايرة، وكانت دقة البيانات عالية.
يمكن لـ SC-MMNEA، الذي تم التحقق من صحته من خلال عمليات محاكاة COMSOL، والتجارب المعملية، ونماذج الفئران، أن يسجل بشكل مستمر تركيزات التحليلات المتعددة في الوقت الفعلي. تعالج ميزة المعايرة الذاتية-مشكلة انخفاض الدقة مع عملية الزرع طويلة الأمد-. وباستخدام استراتيجية تصنيع هجينة، يمكن استبدال الأقطاب الكهربائية ذات الإبرة الدقيقة، مما يؤدي إلى توسيع قدراتها على اكتشاف جزيئات إضافية. ومع ذلك، يجب تخزين الجهاز في درجة حرارة منخفضة-وبيئة غنية بالنيتروجين-وأن يكون مصممًا للاستخدام الفردي-. سيتطلب العمل المستقبلي تحسين اتساق مجموعة أجهزة الاستشعار وتوحيد الطلاء للإنتاج الصناعي.
بالمقارنة مع شرائط اختبار نسبة الجلوكوز في الدم التقليدية وأجهزة مراقبة الغلوكوز المستمرة-ذات الوظيفة الواحدة، يمكن لـ SC-MMNEA مراقبة العديد من المؤشرات البيوكيميائية في الوقت الفعلي، مما يوفر تقييمات شاملة للحالة الصحية والفسيولوجية لمرضى السكري. لديه القدرة على تعزيز تطبيق أجهزة التشخيص التي يمكن ارتداؤها لمراقبة المواد الكيميائية في الجسم على المدى الطويل-.