Phát hiện nồng độ glucose thấp trong mồ hôi
Hiện tại, thiết bị theo dõi đường huyết không xâm lấn không có bán trên thị trường ở Mỹ, do vậy, những người mắc bệnh tiểu đường phải lấy mẫu máu hoặc sử dụng cảm biến được gắn dưới da để đo lượng đường trong máu của họ. Nhờ vào thiết bị mới trên, việc theo dõi đường huyết không xâm lấn có thể trở thành tiêu chuẩn.
Trưởng nhóm nghiên cứu là Giáo sư Huanyu Larry Cheng, Khoa Khoa học Kỹ thuật và Cơ học của Đại học bang Pennsylvania. Họ đã công bố chi tiết về thiết bị cảm biến không xâm lấn, chi phí thấp và có thể phát hiện glucose trong mồ hôi bằng các cảm biến và điện tử sinh học.
Đầu tiên, các nhà nghiên cứu đã chế tạo thiết bị này bằng graphene cảm ứng laser (LIG – Laser induced graphene). Đây là một vật liệu bao gồm các lớp carbon dày nguyên tử có nhiều hình dạng khác nhau. Với độ dẫn điện cao và thời gian chế tạo trong vòng vài giây, LIG dường như là một khung lý tưởng cho thiết bị cảm biến.
Tuy nhiên, Giáo sư Cheng cho rằng có một thách thức ở đây là LIG hoàn toàn không nhạy cảm với glucose, vì vậy cần đặt một vật liệu nhạy cảm với glucose vào LIG.
Theo ông Cheng, nhóm nghiên cứu đã chọn niken vì nó có tính nhạy cảm mạnh mẽ với glucose, đồng thời kết hợp nó với vàng để giảm nguy cơ dị ứng có thể xảy ra. Các nhà nghiên cứu đưa ra giả thuyết rằng, LIG được trang bị hợp kim niken – vàng sẽ có thể phát hiện nồng độ glucose thấp trong mồ hôi trên bề mặt da.
Vật liệu có độ nhạy với glucose là một ưu tiên. Mồ hôi thể hiện nồng độ glucose thấp đáng kể so với máu. Nhưng theo Giáo sư Cheng, có mối tương quan chặt chẽ giữa mồ hôi và máu.
Mặc dù, nồng độ glucose trong mồ hôi thấp hơn khoảng 100 lần so với nồng độ trong máu nhưng thiết bị của nhóm nghiên cứu đủ nhạy để đo chính xác lượng glucose trong mồ hôi và phản ánh nồng độ này trong máu.
Độ nhạy của hợp kim niken – vàng cho phép nhóm của Giáo sư Cheng loại trừ các enzym thường được dùng để đo lượng đường trong các thiết bị thương mại có tính xâm lấn hơn. Tuy nhiên, những enzym này có thể bị phân hủy nhanh chóng theo thời gian và sự thay đổi của nhiệt độ.
Giáo sư Cheng cho biết, một cảm biến enzym phải được giữ ở nhiệt độ và độ pH nhất định, nó cũng không thể được lưu giữ trong thời gian dài. Trong khi đó, cảm biến glucose không có enzym có lợi thế về hiệu suất ổn định và độ nhạy glucose bất kể những thay đổi trên.
Cải tiến thiết bị để mở rộng ứng dụng
Thiết bị đo đường huyết không xâm lấn do các nhà nghiên cứu Đại học bang Pennsylvania tạo ra.
Tuy nhiên, cảm biến không dùng enzym lại yêu cầu có dung dịch kiềm nên dễ làm hỏng da và hạn chế khả năng đeo của thiết bị. Để hạn chế vấn đề này, Giáo sư Cheng và đồng sự đã gắn một buồng vi lỏng (microfluidic - một kỹ thuật liên quan đến kiểm soát dòng chất lỏng bên trong các kênh có thể tích nhỏ) vào hợp kim LIG.
Buồng này nhỏ hơn so với các cấu hình đã phát triển trước đây để tăng độ bền và xốp, cho phép thực hiện một loạt chuyển động như kéo căng hoặc nghiền nát. Nó được kết nối với bộ phận đưa mồ hôi vào dung dịch mà không để dung dịch tiếp xúc với da.
Dung dịch bazơ tương tác với các phân tử glucose để tạo ra hợp chất phản ứng với hợp kim niken - vàng. Phản ứng này kích hoạt một tín hiệu điện, cho biết nồng độ glucose trong mồ hôi.
Theo Giáo sư Cheng, với một buồng chứa dung dịch kiềm nhỏ như vậy, thiết bị có đủ linh hoạt để duy trì sự gắn kết an toàn với cơ thể người.
Trong một cuộc thử nghiệm, các nhà nghiên cứu đã sử dụng chất kết dính an toàn cho da để gắn thiết bị có thể tái sử dụng này vào cánh tay của một người trong 1 giờ và 3 giờ sau bữa ăn. Đối tượng thực hiện một bài tập luyện ngắn đủ để tiết mồ hôi trước mỗi lần đo lượng đường.
Vài phút sau khi thu mồ hôi, các nhà nghiên cứu nhận thấy nồng độ glucose được phát hiện đã giảm từ lần đo đầu tiên sang lần đo tiếp theo. Các phép đo đường huyết từ thiết bị trên sau đó được xác nhận lại bằng máy đo đường huyết bán trên thị trường.
Giáo sư Cheng và nhóm có kế hoạch cải tiến thiết bị trên để phục vụ các ứng dụng trong tương lai, bao gồm việc cải thiện cách bệnh nhân và bác sĩ có thể dùng cảm biến để đo đường huyết tăng lên hoặc theo dõi để xác định biện pháp điều trị, như sử dụng insulin.
Họ cũng có ý định tinh chỉnh và mở rộng nền tảng này để theo dõi các dấu ấn sinh học khác có thể được tìm thấy trong mồ hôi.
