Il 14 Novembre è la Giornata Mondiale del Diabete. IngegneriaBiomedica.org si impegna a sensibilizzare sul tema, proponendone un recente studio scientifico. Un sensore microscopico realizzato in 3D manufacturing ad alta precisione, per la misurazione dei livelli di glicemia in modelli in vitro di diabete in modo min-invasivo e a basso costo, è stato sviluppato dalla “School of Material Science and Engineering” e dall’Ospedale dell’Università di Pechino, pubblicandone i risultati sulla rivista Microsystems & Nanoengineering di Nature.
Il diabete: un nemico comune
Il diabete è un insieme di patologie relativamente comuni che possono essere di tipo ereditario, autoimmune oppure causate da iperglicemia.
In breve, il diabete si manifesta con una ridotta o mancata sintesi di insulina da parte del pancreas, con una conseguente riduzione del metabolismo del glucosio assunto. Accumulandosi così nel sangue, il glucosio può provocare gravi conseguenze, tra cui il coma. In molteplici casi, grazie ad una dieta equilibrata a basso dosaggio di glucosio, ma soprattutto alla terapia a base di insulina, è possibile controllare tale patologia.
Tuttavia, le complicazioni del diabete sono l’aspetto più preoccupante ed includono gravi danni di tipo vascolare, microcircolatorio, cardiaco, renale, visivo ed infine tegumentario. Nei casi più seri, il mancato monitoraggio può indurre alla formazione di lesioni della pelle (ulcere diabetiche) con necrosi dei tessuti circostanti negli arti periferici. Nelle situazioni di danno profondo, per tamponare la progressione, è necessario ricorrere all’amputazione dell’arto. Allo stesso modo, anche i danni alla vista in pazienti affetti da diabete (retinopatia diabetica) possono essere acuti se non monitorati per tempo, comportando la perdita della vista.
Trattandosi di una malattia largamente diffusa e che richiede costante controllo, assunzione di farmaci ed interventi invasivi, il diabete è oggetto continuo di ricerche e innovazioni in campo bioingegneristico, ampiamente trattate anche nel nostro portale.
Approcci convenzionali per la rilevazione della glicemia
Esistono diversi sistemi che consentono di osservare e quantificare la glicemia per poter regolare il dosaggio di insulina prima dei pasti.
Il più comune, il glucometro, utilizza il prelievo di una gocciolina di sangue da un dito della mano (Figura 1). Il sistema sfrutta il metodo reflettometrico, stimando il colore del sangue e misurando la concentrazione del glucosio tramite la reazione enzimatica di ossidazione da parte della glucosio ossidasi.
Questa tecnica, seppur a basso costo, è tendenzialmente laboriosa e, dovendo essere effettuata ripetutamente durante l’arco della giornata, alla lunga può provocare dolore, sensibilizzazione locale e rischio di infezione.
Altri sistemi si basano sul controllo continuo, seguendo le fluttuazioni dei livelli di glucosio e consentendo di correggere di conseguenza la terapia. Il principale vantaggio legato a queste metodologie è un utilizzo mirato dei farmaci, che ne previene l’abuso e l’inefficacia a lungo termine.
Sudore, saliva e lacrime sono fluidi corporei che possono essere usati per tale scopo, con dispositivi ad hoc.
Tuttavia, la correlazione tra i livelli di glucosio nel sangue e in questi fluidi cambia a seconda del campionamento, conducendo spesso a misure non valide.
Anche i fluidi interstiziali, ovvero contenuti in un volume piccolissimo attorno alle cellule che assorbono molecole dai capillari sanguigni, contengono informazioni fisiologiche e metaboliche che possono dare indicazioni dello stato di salute del paziente. Per tale ragione sono stati sviluppati e commercializzati sistemi sottocutanei costituiti da un biosensore a forma di ago con una lunghezza di decine di millimetri per misurare continuativamente il glucosio per una settimana circa (Figura 2). Questi sistemi commerciali presentano diversi svantaggi come il dolore, l’uso di aghi e allergie locali al punto di fissaggio.
I microaghi per il rilevamento del glucosio
Per superare le limitazioni dei dispositivi attualmente in commercio, i ricercatori dell’Università di Pechino hanno sviluppato un dispositivo costituito da una serie di micro aghi disposti su un “cerotto” (patch) poco invasivo, poco doloroso e decisamente a basso rischio di infezione (Figura 3).
Il biosensore, infatti, ha i seguenti pro e contro.
Vantaggi:
- i microaghi possono raggiungere il derma senza interferire con le terminazioni nervose coinvolte nella trasmissione del dolore;
- il dispositivo è sicuro e a bassa probabilità di infezione;
- la tecnologia è promettente ed esaminata in larga parte nel campo dell’ingegneria biomedica.
Svantaggi:
- il range di misura della concentrazione di glucosio è limitato;
- l’accuratezza per alti livelli di glucosio è scarsa;
- il monitoraggio in tempo reale è poco affidabile.
3D printing e caratterizzazione del biosensore
Il biosensore oggetto di studio in questa ricerca è costituito da una serie di aghi ottenuti attraverso la tecnica di 3D printing. Il tutto è stato reso possibile con la polimerizzazione di una resina sensibile a precise lunghezze d’onda della luce, permettendo la produzione di coni di varie dimensioni, il più piccolo dalla base di 200 micrometri (Figura 4).
Per poter rilevare e quindi misurare, il dispositivo necessita di in ulteriore processo di stratificazione: è in questa fase che avviene la deposizione degli elettrodi, tramite electroplating di uno strato di oro (working electrode) e di argento (reference/counter electrode) in aree specifiche (Figura 5).
Efficacia di misura
Una volta testata la resistenza strutturale all’impianto, il sensore è stato caratterizzato sia in vitro che in modello animale.
Per la caratterizzazione in vitro, è stata considerata l’efficacia di rilevazione del glucosio in diversi mezzi (ovvero soluzione buffer, plasma animale ed un idrogelo) al fine di ricavare una curva di calibrazione. Successivamente, sono stati effettuati dei test di biocompatibilità considerando che i materiali utilizzati hanno subito diversi stadi di lavorazione.
Per la caratterizzazione in vivo, il biosensore, essendo progettato per essere posizionato nello strato del derma della pelle, è stato appoggiato sulla superficie più ampia del corpo di un topo, ovvero sull’addome, per misurare la presenza di glucosio sottocutaneo. Il biosensore ha misurato la presenza di glucosio attraverso la rilevazione del perossido di idrogeno, frutto della reazione enzimatica sull’elettrodo di lavoro.
Infine, è stata confrontata la capacità di misurazione dei micro aghi con l’approccio convenzionale. Le fluttuazioni dei livelli di glucosio che si manifestano normalmente durante la giornata in prossimità dei pasti sono state simulate nel topo e, da un controllo incrociato tra il glucosio misurato in tempo reale sotto cute e quello rilevato dal glucometro, non sono state rilevate variazioni di misura significative.
Conclusioni
I ricercatori dell’Università di Pechino hanno realizzato un dispositivo dalle dimensioni ridotte, costellato di micro aghi prodotti con la tecnica del 3D printing, in grado di misurare i livelli di perossido di idrogeno prodotti dalla reazione enzimatica nell’elettrodo di misura.
Questo sistema innovativo è mininvasivo, a basso costo di realizzazione e si è dimostrato efficace e accurato rispetto all’approccio convenzionale di rilevazione del glucosio, rappresentando così una valida alternativa in questo campo.
Fonti e approfondimenti
- Microsystems & Nanoengineering – Continuous monitoring of diabetes with an integrated microneedle biosensing device through 3D printing
- Nature Biomed. Eng. – Glucose-responsive insulin patch for the regulation of blood glucose in mice and minipigs
