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万能!新型石墨烯贴片可辅助治疗糖尿病

时间:2019-05-28 16:07:35    作者:admin    来源:网络整理

  糖尿病是最常见的慢性疾病之一,全球9% 的人口都被此病困扰。糖尿病会引起很多并发症,如心血管疾病、肾病和其他神经系统疾病。如果没有对糖尿病的精确监控和持续治疗,患上糖尿病的人会受并发症的影响,死亡的概率大大提高。韩国首尔大学的研究者们研究出一款糖尿病贴片,可以实现对糖尿病的实时监控。

  在以往的治疗方法中,需要采集患者血液样品,送到测试设备中,检查葡萄糖的浓度,然后注射相应计量的胰岛素。但是整个过程是非常痛苦的,需要病人多次配合,全过程也会给患者带来巨大的心理压力,让患者不想一遍一遍重复这样的流程。如果这样停止治疗,会加重糖尿病症状,使并发症发病风险成倍提高。虽然全过程很痛苦,但是患者没有其他的选择,不得不做。

  近年来,可穿戴设备和电子技术的进步,不用注射器解决糖尿病问题成为了可能。

  因为人的汗液中含有多种生理生物标识,其中之一就包括葡萄糖含量,可分析汗液的穿戴设备受到了极大的关注。

  不同体液中葡萄糖浓度是有关联的,当血液中葡萄糖浓度升高时,汗液中葡萄糖的浓度也会升高。在汗液中检测血糖高低是无痛的,对患者也没有任何心里压力,而在血液中检测血糖浓度会对患者造成心理和身体的双重压力。

  这两者最大的区别在于:抽取血液直接测定血糖浓度比较容易,而通过汗液测定有很多的不确定的影响因素。因此需要一种使用传感器和反馈模块的集成控制系统,来进行血糖浓度的测定。同时通过透皮药物送递装置来注射药物,通过反馈控制可以实现全过程的自动。这样既可以减少患者的精神压力,又可以减少患者实际痛苦,对患者有有巨大的好处。

  但是很多环境因素都可以影响基于酶的葡萄糖传感器,这样会让测量结果产生巨大的偏差。主要由以下几个方面。


传感器的实物图,上图分别是拉伸和压缩的实际情况。

  因此,要想解决以上的全部问题,需要贴片具有以下的性能。

  首尔大学的研究者们开发了一个基于石墨烯的糖尿病贴片,提供了一个实现以上特性的解决方案。这个贴片包含了众多的传感器和控制器,包括可以对汗水进行收集和分析的控制器、葡萄糖传感器和可控透皮注射器。

  首先由汗水收集分析控制器来收集人体分泌的汗液,其本身是个湿度传感器,当湿度超过 80% 的时候,由其他传感器开始工作。pH 和温度传感器将会分别测量汗液的 pH 和环境温度。这些环境参数将会被用于校正正在由葡萄糖传感器测量的葡萄糖浓度。


在患有糖尿病的小鼠上使用微针

  正常情况下,贴片上的微针是由十三烷酸制成的与生物相容的相变材料(PCM)包覆的,其目的是使皮肤的组织液分离。这些微针是由水溶性高分子聚乙烯吡咯烷酮(PVP)制成的,微针中包含有针对二型糖尿病的活性药物,如二甲双胍。

  在高血糖的情况下,由于嵌入式微加热器的热运动会导致 PCM 涂层在 41 摄氏度融化,使微针暴漏,微针被激活。微针会被体液溶解,进而传送药物。我们已经成功证明了使用贴片可以测定人体血糖,而且在糖尿病小鼠身上的实验也证明能成功的通过反馈注射药物。在血糖稍有下降的情况下,系统会持续监控,必要时会停止药物注射。


监控状况与实际贴片

  为了保证传感器的高灵敏度和材料柔韧性,研究者们使用化学气相沉积(CVD)的方法来合成出官能化的石墨烯。他们制造的石墨烯混合电极,使用的是掺金的石墨烯。它不仅透明度高,而且还具有良好的电学和电化学特性,如高导电性。由于本身是柔性材料,石墨烯电极非常适宜在可穿戴设备上使用。

  虽然通过 CVD 生长的石墨烯具有良好的电气、光学和机械柔韧性,但是其固有的电化学活性随其缺陷密度的提高而降低。即便如此,通过有机或无机官能化的石墨烯混合结构,在用于生物标记的电化学传感器上有非常高的灵敏度。

  这些针对可穿戴糖尿病贴片的改进技术实现了,可以不通过血液取样对血糖浓度进行监测,同时对血糖浓度进行控制。以上进步对于需要长期治疗的糖尿病患者是至关重要的。

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