Des chercheurs de Penn State ont développé un prototype de capteur de glucose portable et non invasif, montré ici sur le bras. Crédit : Jia Zhu, État de Pennsylvanie
Des chercheurs de Penn State développent un prototype de dispositif de surveillance du glucose portable et non invasif, le premier du genre.
Les dispositifs de surveillance du glucose non invasifs ne sont actuellement pas disponibles dans le commerce aux États-Unis, de sorte que les personnes atteintes de diabète doivent prélever des échantillons de sang ou utiliser des capteurs intégrés sous la peau pour mesurer leur taux de sucre dans le sang. Désormais, avec un nouvel appareil portable créé par des chercheurs de Penn State, une surveillance de la glycémie moins intrusive pourrait devenir la norme.
Dirigés par Huanyu “Larry” Cheng, professeur de développement de carrière Dorothy Quiggle au département des sciences de l’ingénieur et de la mécanique de Penn State, les chercheurs ont publié les détails du capteur non invasif et peu coûteux qui peut détecter le glucose dans la sueur dans Biocapteurs et bioélectronique. L’article, disponible en ligne, sera publié dans le numéro imprimé de décembre de la revue.
Les chercheurs ont d’abord construit l’appareil avec un laser induit graphène (LIG), un matériau constitué de atome-couches de carbone épaisses de différentes formes. Avec une conductivité électrique élevée et un temps de fabrication pratique de quelques secondes seulement, LIG semblait être un cadre idéal pour le dispositif de détection – mais il y avait une mise en garde importante.
“Le défi ici est que LIG n’est pas du tout sensible au glucose”, a déclaré Cheng. « Donc, nous devions déposer un matériau sensible au glucose sur le LIG. »
L’équipe a choisi le nickel en raison de sa forte sensibilité au glucose, selon Cheng, et l’a combiné avec de l’or pour réduire les risques potentiels de réaction allergique. Les chercheurs ont émis l’hypothèse que le LIG équipé du nickel-or alliage serait capable de détecter de faibles concentrations de glucose dans la sueur à la surface de la peau.
Les dispositifs de surveillance du glucose non invasifs ne sont actuellement pas disponibles dans le commerce aux États-Unis, de sorte que les personnes atteintes de diabète doivent prélever des échantillons de sang ou utiliser des capteurs intégrés sous la peau pour mesurer leur taux de sucre dans le sang. Désormais, avec un nouvel appareil portable créé par des chercheurs de Penn State, une surveillance de la glycémie moins intrusive pourrait devenir la norme.
Un matériau à haute sensibilité au glucose était une priorité. La sueur présente des concentrations de glucose remarquablement faibles par rapport au sang – mais, selon Cheng, il existe une forte corrélation entre les niveaux de glucose dans la sueur et le sang. Alors que la concentration de glucose dans la sueur est environ 100 fois inférieure à la concentration dans le sang, l’appareil de l’équipe est suffisamment sensible pour mesurer avec précision le glucose dans la sueur et refléter la concentration dans le sang.
La sensibilité de l’alliage nickel-or a permis à l’équipe de Cheng d’exclure les enzymes, qui sont souvent utilisées pour mesurer le glucose dans des appareils plus invasifs et disponibles dans le commerce ou dans des moniteurs non invasifs proposés par d’autres chercheurs. Ces enzymes, cependant, peuvent se dégrader rapidement avec le temps et les changements de température.
“Un capteur enzymatique doit être maintenu à une certaine température et à un certain pH, et l’enzyme ne peut pas être stockée à long terme”, a déclaré Cheng. « Un capteur de glucose non enzymatique, en revanche, est avantageux en termes de performances stables et de sensibilité au glucose, quels que soient ces changements. »
Les capteurs non enzymatiques nécessitent une solution alcaline, ce qui peut endommager la peau et limite généralement la portabilité de l’appareil. Pour freiner ce problème, Cheng et son équipe ont attaché une chambre microfluidique à l’alliage LIG. Cette chambre est plus petite que les configurations précédemment développées pour favoriser la portabilité et poreuse pour permettre une gamme de mouvements, tels que l’étirement ou l’écrasement. Il est connecté à une entrée de collecte qui laisse passer la sueur dans la solution sans permettre à la solution de toucher la peau. La solution basique interagit avec les molécules de glucose pour produire un composé qui réagit avec l’alliage. Cette réaction déclenche un signal électrique, indiquant la concentration de glucose dans la sueur.
Avec une chambre de solution alcaline plus petite, l’ensemble de l’appareil a à peu près la taille d’un quart et est suffisamment flexible pour maintenir une fixation sûre au corps humain, a déclaré Cheng.
Dans un test de validation de principe, les chercheurs ont utilisé un adhésif sans danger pour la peau pour fixer le dispositif réutilisable au bras d’une personne une heure et trois heures après un repas. Le sujet a effectué une brève séance d’entraînement – juste assez pour produire de la sueur – juste avant chaque temps de mesure. Quelques minutes après avoir collecté la sueur, les chercheurs ont constaté que la concentration de glucose détectée chutait de la première mesure à la suivante. Les mesures de glucose de l’appareil ont été vérifiées par des mesures effectuées avec un glucomètre disponible dans le commerce.
Cheng et l’équipe prévoient d’améliorer leur prototype pour de futures applications, notamment en abordant la manière dont les patients ou les cliniciens peuvent utiliser le capteur pour des mesures de glycémie incrémentielles ou une surveillance continue pour déterminer les actions de traitement, telles que l’administration d’insuline. Ils ont également l’intention d’affiner et d’étendre cette plate-forme pour une surveillance plus confortable d’autres biomarqueurs pouvant être trouvés dans la sueur ou les fluides interstitiels qui remplissent l’espace entre les cellules du corps.
“Nous voulons travailler avec des médecins et d’autres prestataires de soins de santé pour voir comment nous pouvons appliquer cette technologie pour la surveillance quotidienne d’un patient”, a déclaré Cheng. “Ce capteur de glucose sert d’exemple fondamental pour montrer que nous pouvons améliorer la détection des biomarqueurs dans la sueur à des concentrations extrêmement faibles.”
Référence : « Capteurs de glucose non enzymatiques au graphène induit par laser pour les mesures sur le corps » par Jia Zhu, Shangbin Liu, Zhihui Hu, Xianzhe Zhang, Ning Yi, Kairui Tang, Michael Gregory Dexheimer, Xiaojun Lian, Qing Wang, Jian Yang, Jennifer Gray et Huanyu Cheng, le 1er septembre 2021, Biocapteurs et bioélectronique.
DOI : 10.1016/j.bios.2021.113606
Les autres contributeurs incluent le co-premier auteur Jia Zhu, le co-premier auteur Shangbin Liu, Zhihui Hu, Xianzhe Zhang, Ning Yi, Kairui Tang et Michael Gregory Dexheimer, Département des sciences de l’ingénieur et de la mécanique ; Qing Wang du Département des sciences et de l’ingénierie des matériaux du Collège des sciences de la terre et des minéraux ; Xiaojun Lian et Jian Yang du Département de génie biomédical ; et Jennifer Gray du Materials Research Institute. Hu est également affilié à l’Université de technologie de Wuhan en Chine, et Yi est également affilié au Penn State Department of Materials Science and Engineering. Cheng est également affilié aux départements d’ingénierie architecturale et d’ingénierie biomédicale du College of Engineering et du Département des sciences et de l’ingénierie des matériaux du Penn State College of Earth and Mineral Sciences, ainsi qu’à l’Engineering Energy and Environmental Institute, Materials Research Institute, et l’Institut des sciences informatiques et des données.
La National Science Foundation et le National Heart, Lung and Blood Institute des National Institutes of Health (numéro de récompense R61HL154215) ont soutenu ce travail.
