Hoe werken draagbare biosensoren voor glucosemonitoring en wat zijn hun uitdagingen?

Draagbare biosensoren voor glucosemonitoring ontwikkelen zich snel en vertegenwoordigen een revolutionaire stap in de niet-invasieve gezondheidszorg. De technologische vooruitgang in micro-elektromechanische systemen (MEMS), nanotechnologie en biochemische sensoren heeft geleid tot een breed scala aan apparaten die bloedglucosewaarden kunnen meten via verschillende lichaamsvloeistoffen en huidoppervlakken zonder directe bloedafname. Een voorbeeld hiervan is het gebruik van micronaaldjes vervaardigd uit farmaceutische stoffen zoals metformine, bedekt met een faseovergangsmateriaal dat de veiligheid waarborgt door het vrijgeven van actieve stoffen gecontroleerd te reguleren.

Een bijzondere categorie hiervan zijn zogenaamde “cavitas” sensoren, ontworpen voor toepassing in lichaamsholten zoals mondstukken en brillen. Deze sensoren maken het mogelijk macromoleculen in transcutane gassen te detecteren, bijvoorbeeld in het traanvocht bij de ogen of in speeksel. Glucosemonitoring via mondstuk-sensoren met glucose-oxidase enzymen die direct reageren op glucose in speeksel, heeft al bewezen effectief te zijn. Ook pacifiers die glucose- en andere metabolietconcentraties in het speeksel van zuigelingen meten, bieden een pijnloze methode om hyperglykemie te detecteren.

In de markt zijn verschillende goedgekeurde systemen beschikbaar, zoals Glucotrack, een oorclip die glucoseconcentraties in het oorklelweefsel meet met een levensduur van zes maanden. Andere bekende systemen zijn Dexcom G6 CGM en FreeStyle Libre, die transdermale patches gebruiken om interstitiële glucosewaarden te monitoren. De Dexcom sensor vereist regelmatig zelfkalibratie, terwijl FreeStyle Libre een langere gebruiksduur kent. Eversense onderscheidt zich als het enige systeem met een elektro-optische meetmethode op basis van fluorescentie, wat langdurige monitoring mogelijk maakt.

Het gebruik van traanvocht voor glucosemonitoring werd beschouwd als een innovatieve en snelle methode. Onderzoek toonde echter aan dat glucoseconcentraties in traanvocht significant hoger kunnen zijn dan in bloed en urine, wat de correlatie tussen deze metingen bemoeilijkt. Hoewel producten zoals de Triggerfish lens die intraoculaire druk bij diabetici meet al commercieel beschikbaar zijn, liep een samenwerking tussen Novartis en Google met slimme glazen af die glucose in traanvocht wilden detecteren, vast op het gebrek aan een directe relatie tussen bloed- en traan-glucose. Desondanks bieden dergelijke contactlenzen met ingebouwde biosensoren en een IoT-connectiviteit nieuwe wegen voor niet-invasieve glucosemonitoring, met voordelen zoals transparantie en ademend vermogen zonder het gezichtsvermogen te belemmeren.

Naast enzymatische methoden worden ook niet-enzymatische detectietechnieken ontwikkeld, waarbij nanomaterialen zoals Co3O4 nanovezels en PtPd legeringen elektrochemische katalyse van glucose-oxidatie mogelijk maken. Een voorbeeld hiervan is het gebruik van CuO nanorods die op koolstofvezelweefsel groeien en bij elektrochemische reacties glucose kunnen oxideren, resulterend in hoge gevoeligheid en lage detectiegrenzen. Dit opent mogelijkheden voor robuuste en kostenefficiënte glucosebiosensoren die ook bestand zijn tegen de beperkingen van enzymen, zoals stabiliteitsproblemen.

Fysiologische draagbare sensoren gaan verder dan glucosemonitoring en meten vitale parameters als temperatuur, ademhaling en hartslag via de huid. Hun lichte en flexibele karakter zorgt voor een betere huidcontact tijdens beweging, met signalen in het bereik van enkele Hertz tot meerdere kilohertz en lage voltage-uitgangen. Voor betrouwbare gegevensverzameling is een hoge geleidbaarheid en een gunstige signaal-ruisverhouding essentieel.

Belangrijk is te beseffen dat hoewel de technische ontwikkelingen veelbelovend zijn, de relatie tussen gemeten parameters in verschillende lichaamsvloeistoffen en het daadwerkelijke bloedglucosegehalte soms complex en niet eenduidig is. Hierdoor vergt het gebruik van niet-invasieve sensoren kritische validatie en interpretatie, vooral bij nieuwe meetmethoden zoals in traanvocht. Daarnaast vormen problemen als bacteriële contaminatie, lekkage en ophoping van vuil belemmeringen voor langdurig gebruik. Het overwinnen van deze obstakels is cruciaal voor het wijdverspreide klinische gebruik van draagbare biosensoren.

Hoe microfluïdische en elektrochemische sensortechnologieën de vroege diagnose van ziekten verbeteren

Microfluïdische systemen gecombineerd met elektrochemische detectietechnologieën bieden een innovatieve benadering voor het monitoren en diagnosticeren van diverse ziekten via lichaamsvloeistoffen zoals zweet, tranen, speeksel en bloed. Door de nauwe integratie van sensoren met huidcontactlagen kunnen deze apparaten continu en draadloos biochemische markers meten, wat een enorme vooruitgang betekent ten opzichte van traditionele methoden.

Een voorbeeld hiervan is een microfluïdisch apparaat dat via een flexibel, draadloos elektronisch bordje is verbonden met elektroden en een reservoir voor zweet. Deze technologie maakt het mogelijk om glucosewaarden in zweet te bepalen door middel van een enzymatische reactie waarbij glucose-oxidase het glucosegehalte omzet en daarbij waterstofperoxide produceert. De sensor werkt binnen een lineair bereik van 2–10 mM glucose, wat klinisch relevant is voor bijvoorbeeld diabetesmonitoring. Door het combineren van micro-elektroden en geavanceerde microfabricagetechnieken, zoals zachte lithografie, worden zeer nauwkeurige metingen gerealiseerd.

De integratie van microfluïdische kanalen met elektrochemische sensoren, gecombineerd met nauwkeurige vloeistofcontrole via pneumatische microkleppen, maakt het mogelijk om in één apparaat verschillende biomarkers parallel te meten. Het gebruik van zelfgeassembleerde monolagen op elektroden, in combinatie met specifieke bioconjugaten zoals streptavidine en biotinylatie, vermindert niet-specifieke bindingen en verhoogt de selectiviteit van de sensor. Dit is van essentieel belang bij het detecteren van lage concentraties biomoleculen in complexe biologische monsters.

Organ-on-a-chip systemen representeren een nieuwe generatie microfluïdische technologieën waarbij organoïden zoals lever- en hartweefsel in situ kunnen worden gemonitord. Deze systemen combineren biochemische en biomedische sensoren om effecten van geneesmiddelen in real-time te volgen, wat de voorspellende waarde voor menselijke reacties aanzienlijk verbetert en de noodzaak voor dierproeven vermindert. Desondanks blijven uitdagingen bestaan, zoals het adsorptieprobleem van hydrofobe geneesmiddelen door PDMS-materiaal en de complexiteit van handmatige assemblage van geïntegreerde sensoren.

In de oncologie worden microfluïdische elektrochemische sensoren ingezet voor het detecteren van tumormarkers zoals carcino-embryonaal antigeen (CEA) en kankerantigeen 125 (CA-125). Door gebruik te maken van nanomaterialen zoals gouden nanopartikels en siliciumdioxide, gecombineerd met aptamers en luminescente probes, kunnen deze sensoren zeer specifieke en gevoelige metingen uitvoeren. Elektochemische immunosensoren met enzymatische cyclusversterking maken het mogelijk om ook lage concentraties van kankerantigenen snel en nauwkeurig te kwantificeren, wat cruciaal is voor vroege diagnose en monitoring van kankerprogressie.

Naast de bovengenoemde toepassingen benadrukt deze technologie ook de noodzaak om de invloed van de matrix van biologische vloeistoffen te begrijpen, aangezien interferenties en bindingen met andere biomoleculen de metingen kunnen beïnvloeden. Bovendien is het belangrijk dat toekomstige sensoren niet alleen hoge analytische prestaties leveren, maar ook praktisch toepasbaar zijn in klinische omgevingen, met oog voor gebruiksgemak, kostenefficiëntie en reproduceerbaarheid. Het onderzoek naar materiaalkeuze, miniaturisatie en integratie van meerdere functies binnen één apparaat zal bepalend zijn voor de bredere adoptie van deze technologieën.

Hoe dragen flexibele nanosensoren bij aan draagbare diagnostiek?

In de kern van de huidige innovatie op het gebied van draagbare technologieën ligt het vermogen om biologische signalen te monitoren via huidcontact, textiel of zelfs vrije beweging. De recente ontwikkelingen tonen aan dat geïntegreerde apparaten voor non-invasieve diagnostiek steeds verfijnder worden, en dat draagbare biosensoren hun nut tonen in gezondheidstoezicht. (Brophy et al. 2021; Ates et al. 2021; Kim et al. 2019)

Belangwekkend is de productie van sensoren die biomoleculen in zweet detecteren — zo is een laser-gestemde sensor ontwikkeld waarmee zowel urinezuur als tyrosine nauwkeurig kunnen worden gemeten. (Yang et al. 2020) Deze aanpak markeert een verschuiving van statische naar dynamische metingen in realtime, waardoor fysiologische veranderingen direct waarneembaar worden. Bovendien worden mobiele sensoren steeds vaker ingezet in gepersonaliseerde voedingstoepassingen, waarin individuele metabolische responsen in kaart worden gebracht. (Sempionatto et al. 2021)

In het biomedische domein vinden nanomaterialen zoals zilver, grafen, magnetische nanodraden en hybride systemen toepassing. (Markovic et al. 2011; Tonelli et al. 2015; Mukhtar et al. 2020; Seaberg et al. 2021) Hun hoge oppervlakte-op-volume ratio bevordert interacties met biologische moleculen, terwijl hun functionaliteit kan worden afgestemd op sensorische doeleinden. De combinatie van verschillende materialen (multimateriaalfilamenten) maakt 3D-printing van opto-elektronische structuren mogelijk — directe integratie van sensoren in draagbare vormen. (Loke et al. 2019)

Energietechnologie is een andere kritische dimensie. Draagbare batterijen die zich slechts in één richting vervormen of om-directionele flexibiliteit vertonen, openen kansen voor volledig beweegbare elektronica. (Yang et al. 2021) Verder zijn draadachtige supercondensatoren en lithium-ionbatterijen onderzocht om hun buigzaamheid te combineren met energiedichtheid. (Zhou et al. 2020)

In de chemische sensorvelden zijn draad- of textielgebaseerde platforms ontwikkeld: elektrochemische systemen voor detectie van Ca²⁺ en pH in zweet (Nyein et al. 2016), huidhechtbare sensoren voor glucose- en pH-detectie (Oh et al. 2018), ionselectieve sensoren op basis van koolstofnanobuisjes (Roy et al. 2017), en textielkleuren sensoren met katoen, polymeren en nanomaterialen (Guinovart et al. 2013; Parrilla et al. 2016). In sommige configuraties wordt zweet autonoom geëxtraheerd via geïntegreerde platforms om biomerkers te analyseren. (Emaminejad et al. 2017) Nieuw werk beschrijft draadgebaseerde zweet-nanobiosensoren (Zhao et al. 2021) en sensoren op basis van goud-nanodendrieten (Wang et al. 2017). Verder realiseren volledig geschreven flexibele sensoren op basis van tweedimensionale geleidende inkt nieuwe ontwerpvrijheid. (Jiang et al. 2018)

Een andere cruciale correlatie is die tussen zweetglucose en bloedglucose — analyses tonen dat, onder bepaalde voorwaarden, zweetmetingen als proxy kunnen dienen voor systemische glycemie. (Moyer et al. 2012)