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Nat Nanotechnol:开发出可穿戴石墨烯设备监控和抵抗糖尿病

来源:生物谷 2016-03-25 11:42

2016年3月25日/生物谷BIOON/--在一项新的研究中,来自韩国基础科学研究所(IBS)纳米颗粒研究中心的研究人员制造出一种基于石墨烯的糖尿病补片(diabetes patch),它通过使用人汗液而允许准确地监控糖尿病和反馈治疗结果。研究人员通过将电化学活性的柔软功能性材料整合在掺金石墨烯(gold-doped graphene)和蛇形金丝网(serpentine-shape gold mesh)的混杂物上而改善这种生物医学设备的检测能力。正如基于酶的葡萄糖传感器受到pH值和温度的影响,这种补片设备的pH值和温度监控功能能够系统性地校正汗液葡萄糖测量值。相关研究结果于2016年3月21日在线发表在Nature Nanotechnology期刊上,论文标题为“A graphene-based electrochemical device with thermoresponsive microneedles for diabetes monitoring and therapy”。

糖尿病和调节葡萄糖水平

胰岛素是在胰腺中产生的,调节葡萄糖的使用,从而维持血糖水平平衡。糖尿病导致血糖水平不平衡:不充足的胰岛素数量导致较高的血糖水平,即高血糖症。2型糖尿病是最为常见的糖尿病,而且已知没有治愈方法。它影响大约300万韩国人,而且这一数字因膳食模式和老龄化社会仍在不断增加。当前用来治疗糖尿病的方法是让人痛苦的、不便利的和昂贵的;定期地访问医生,而且需要家庭测试仪器记录血糖水平。病人也不得不接受不愉快的胰岛素注射来调节血糖水平。因此,病人迫切需要利用多功能的可穿戴设备对重要的糖尿病标志物进行非侵入式地、无疼痛地和无压力地监控。IBS开发的这种设备有助解决这一问题,因而降低漫长而又昂贵地访问医生和药店的次数。

基于石墨烯的可穿戴设备组件

IBS纳米颗粒研究中心科学家KIM Dae-Hyeong描述了多种组件。“我们的基于石墨烯的可穿戴设备不仅能够监测汗液葡萄糖水平和pH值,而且也可通过温度反应性微针(temperature-responsive microneedle)控制药物经皮给药。准确的汗液葡萄糖测量值被用来估计病人血液中的葡萄糖水平。在多次使用后,这种设备仍然保持它的初始灵敏度,因而允许多次治疗。将这种设备连接到便携式/无线的电源和数据传输单位,从而能够即时治疗糖尿病。” KIM Dae-Hyeong继续描述这种设备的工作方式,“将这种补片贴在皮肤上,当汗液产生时,对汗液葡萄糖的检测就开始了。这种补片的湿度传感器组件监测相对湿度(relative humidity,RH)增加。这种补片的汗液吸取层平均花费15分钟收集汗液,并且达到80%以上的相对湿度,在这时,葡萄糖和pH值测量才开始进行。”

糖尿病补片的益处和药物给药

相比于当前的治疗方法,这种设备因允许非侵入式治疗取得巨大进展。在这项研究期间,两名健康男性参与测试以便验证这种设备的汗液葡萄糖检测能力。研究人员记录了这两人的葡萄糖和pH水平;统计学分析证实来自这种糖尿病补片的汗液葡萄糖数据与来自商业上的葡萄糖测试的数据存在可靠的相关性。如果异常高水平的葡萄糖检测到,那么药物就通过药物装载微针释放到病人血液中。这种石墨烯设备的柔韧性的、半透明的类似皮肤的外观,使得它可以轻松地和舒适地与人类皮肤相接触,从而让它不受任何皮肤变形的影响。这能够稳定地检测葡萄糖水平和高效地进行药物给药。

研究人员也通过在糖尿病模式小鼠体内开展实验验证这种设备的治疗效果。当将这种设备放在糖尿病小鼠腹部附近时,治疗就开始了。微针刺破小鼠的皮肤,释放二甲双胍(Metformin)---一种调节胰岛素的药物---到血液中。相比于对照组小鼠,接受微针治疗的那组小鼠表现出显著的血糖浓度抑制。KIM Dae-Hyeong评论道,“人们能够轻松地利用新的微针替换使用过的微针。经皮给药的二甲双胍治疗要比经过消化系统给药的更加高效,这是因为这种药物直接通过皮肤进行代谢循环。”他继续评论道,“利用纳米材料和设备取得的这些进展提供新的机会用于治疗诸如糖尿病之类的慢性疾病。”(生物谷 Bioon.com)

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A graphene-based electrochemical device with thermoresponsive microneedles for diabetes monitoring and therapy

doi:10.1038/nnano.2016.38

Hyunjae Lee, Tae Kyu Choi, Young Bum Lee, Hye Rim Cho, Roozbeh Ghaffari, Liu Wang, Hyung Jin Choi, Taek Dong Chung, Nanshu Lu, Taeghwan Hyeon, Seung Hong Choi & Dae-Hyeong Kim

Owing to its high carrier mobility, conductivity, flexibility and optical transparency, graphene is a versatile material in micro- and macroelectronics. However, the low density of electrochemically active defects in graphene synthesized by chemical vapour deposition limits its application in biosensing. Here, we show that graphene doped with gold and combined with a gold mesh has improved electrochemical activity over bare graphene, sufficient to form a wearable patch for sweat-based diabetes monitoring and feedback therapy. The stretchable device features a serpentine bilayer of gold mesh and gold-doped graphene that forms an efficient electrochemical interface for the stable transfer of electrical signals. The patch consists of a heater, temperature, humidity, glucose and pH sensors and polymeric microneedles that can be thermally activated to deliver drugs transcutaneously. We show that the patch can be thermally actuated to deliver Metformin and reduce blood glucose levels in diabetic mice.

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