Das selbstbetriebene Mikronedle-Patch bietet eine blutfreie Biomarker-Überwachung

Forscher haben ein selbst betriebenes Mikronedle-Patch entwickelt, um eine Reihe von Gesundheitsbiomarkern zu überwachen, ohne Blut zu ziehen oder sich auf Batterien oder externe Geräte zu verlassen. Bei Proof-of-Concept-Tests mit synthetischer Haut zeigten die Forscher, dass die Patches über Zeiträume von 15 Minuten und 24 Stunden Biomarker-Proben sammeln könnten.

„Biomarker sind messbare Indikatoren für biologische Prozesse, die uns helfen können, die Gesundheit zu überwachen und Erkrankungen zu diagnostizieren“, sagt Michael Daniele, entsprechender Autor eines Papiers über die Arbeit. „Die überwiegende Mehrheit der konventionellen Biomarker -Tests basiert auf der Entnahme von Blutproben. Zusätzlich zu der für die meisten Menschen unangenehmen Blutproben stellen auch Blutproben für Angehörige der Gesundheitsberufe und Technologieentwickler eine Herausforderung dar. Das liegt daran, dass Blut ein komplexes System ist, und Sie müssen die Thrombozyten, rote Blutkörperchen und so weiter entfernen, bevor Sie die entsprechende Flüssigkeit testen können.

„Der von uns entwickelte Patch verwendet Mikroneedles, um die Flüssigkeit zu probieren, die Zellen in dermalen und epidermalen Schichten direkt unter der obersten Zellenschicht umgibt, aus der Sie sich ausmachen“, sagt Daniele, Professor für Elektrotechnik in NC State und in der Lampengelenkabteilung für Biomedical Engineering am NC State und der University of North Carolina in Chapel Hill. „Dies wird als dermal interstitieller Flüssigkeit (ISF) bezeichnet und enthält fast alle der gleichen Biomarker, die im Blut enthalten sind. Was mehr ist, ist ISF für eine“ sauberere „Probe – es muss nicht so verarbeitet werden, wie Blut es tut, bevor Sie es testen können. Im Wesentlichen strömt es den Testen des Biomarker -Tests.“

Insbesondere haben Daniele und seine Mitarbeiter einen vollständig passiven Mikronedle -Patch erstellt, der weder auf Batterien noch auf externe Energiequellen angewiesen ist, um ISF -Proben zu entnehmen oder zu speichern. So funktioniert es.

Das Patch besteht aus vier Schichten: einem Polymer „Gehäuse“ – was effektiv der Teil des Patchs ist, den Sie sehen können; eine Schicht Gel; eine Papierschicht; und die Mikronadeln selbst. Die Mikronadeln bestehen aus einem Material, das beim Berühren des ISF anschwillt. Der ISF schlägt durch die Mikrona – wie Wasser durch ein Papiertuch -, bis es mit dem Papier in Kontakt kommt. Wenn das Papier den ISF absorbiert, kommt die Flüssigkeit mit dem Gel in Kontakt, das sich auf der anderen Seite des Papiers befindet. Dieses Gel enthält eine hohe Konzentration an Glycerin. Das Ungleichgewicht von Glycerin zwischen dem Gel und dem ISF erzeugt osmotischen Druck, der mehr ISF durch das Papier zieht, bis das Papier gesättigt ist.

In der Zeitung wird der ISF gespeichert. Wenn Sie den Patch ausziehen, entfernen Sie den Papierstreifen und analysieren die Probe. „

Michael Daniele, Professor für Elektrotechnik, NC State

Die Forscher testeten das Patch auf zwei synthetischen Hautmodellen.

„Es hat gut funktioniert“, sagt Daniele. „Die gesammelten Flecken messbar in nur 15 Minuten und konnten die Biomarker -Proben mindestens 24 Stunden lang speichern.“

Für die Proof-of-Concept-Tests überwachten die Forscher auf Cortisol-ein Biomarker für Stress, der im Laufe des Tages schwankt.

„Das heißt, es ist etwas, was die Leute vielleicht mehrmals am Tag überwachen möchten, ohne wiederholt Blut zeichnen zu müssen“, sagt Daniele. „Und es gibt keinen Grund, warum der Patch für viele der in ISF gefundenen Biomarker nicht funktionieren würde.“

Ein weiterer attraktiver Aspekt der Patches ist, dass sie aus relativ kostengünstigen Materialien hergestellt werden, die weit verbreitet sind.

„Die höchsten Kosten für die Patches wären darin, die Mikroneedles herzustellen, aber wir glauben, dass der Preis mit den mit Blutuntersuchungen verbundenen Kosten wettbewerbsfähig wäre“, sagt Daniele. „Das Zeichnen von Blut erfordert Fläschchen, Nadeln und – normalerweise – einen Phlebotomisten. Der Patch erfordert keines dieser Dinge.“

Die Forscher haben bereits mit den Flecken mit den menschlichen Tests begonnen und entwickeln elektronische Geräte, um den Papierstreifen aus dem Mikronedle -Patch zu „lesen“.

„Wir haben bereits ein elektronisches Gerät entwickelt, das Cortisolspiegel aus dem Papierstreifen“ lesen „kann und an einem anderen Gerät arbeitet, das einen anderen Biomarker bewertet“, sagt Daniele.

„Wir suchen jetzt nach Industriepartnern an zwei Fronten. Wir würden gerne mit Unternehmen im diagnostischen Raum sprechen, um zusätzliche Anwendungen zu erkunden, und wir möchten auch gerne mit potenziellen Partnern über die Skalierung der Produktion sprechen.“

Das Papier „Design und Charakterisierung eines selbstbetriebenen Mikronedle-Mikrofluidiksystems für interstitielle Flüssigkeitsabtastungen“ wird im Journal Open Access veröffentlicht Labor auf einem Chip. Co-Lead-Autoren sind Christopher Sharkey, ein Ph.D. Student am NC State; Angélica Archee, ein Ph.D. Student in der Lampe Joint Department of Biomedical Engineering am NC State und der University of North Carolina in Chapel Hill; und Isabella Agusta, eine Studentin der Abteilung für gemeinsame Biomedizintechnik. Co-Autoren sind Hannah Nissan, Doktorandin des NC State; Tamoghna Saha und Sneha Mukherjee, ehemaliger Ph.D. Studenten des NC State; Michael Dickey, Camille und Henry Dreyfus Professor für chemische und biomolekulare Ingenieurwesen am NC State; Orlin Velev, S. Frank und Doris Culberson Distinguished Professor für chemische und biomolekulare Ingenieurwesen im NC State; und Jack Twiddy, ein Postdoktorandenforscher in der Abteilung für gemeinsame Biomedizinische Technik.

Diese Arbeit wurde mit Unterstützung des Zentrums für fortschrittliche selbstbetriebene Systeme von Sensoren und Technologien der National Science Foundation (Assist), dem NC State Institute for Connected Sensor-Systems, dem Innovationsfonds des Bundeskanzlers bei NC State und SEMI-NBMC unter Zuschüssen NB18-21-26 und NB18-24-38, unterstützt.

Daniele ist Offizier und Gründer von Dermisese, Inc. (Cary, NC), der mikronedle-basierte Technologien kommerzialisiert.

Quellen: