معرفی پچ پانکراس هوشمند مصنوعی
به منظور بهبود استانداردهای زندگی بیماران دیابتی و کاهش آثار منفی این بیماری در سلامت، جامعة پزشکی به طور فعال به دنبال درمان‌های مؤثرتر بوده است. در سال‌های اخیر، پانکراس مصنوعی به عنوان رویکرد مهمی در مدیریت دیابت، ظهور کرده است. این پژوهش نوعی پانکراس مصنوعی جدید ارائه می‌کند که براساس حسگر میکرولولة بلندی است که با پمپ اولتراسونیک ادغام شده است.
به گزارش مدرن مد، این دستگاه الزامات دستیابی به حسگری دقیق و ظرفیت پمپاژ زیاد را برآورده می‌کند. پانکراس مصنوعی، که براساس میکرولولة بلند ساخته شده، کم‌هزینه و بدون درد و استفاده از آن ساده است، قسمت بیرونی میکرولوله به عنوان حسگر گلوکز برای تشخیص دیابت ساخته شده است و قسمت داخلی میکرولوله بهعنوان کانالی برای رساندن انسولین از طریق پمپ اولتراسونیک استفاده می‌شود. این کار بهطور موفقیت‌آمیز، کنترل حلقة بستة گلوکز خون و درمان دیابت در موش‌ها را به دست می‌آورد. انتظار می‌رود این کار بتواند مدیریت بیماران دیابتی را بهبود بخشد.
دیابت بیماری متابولیک شایعی است که اکنون به اپیدمی تبدیل شده است و بیش از چهارصد میلیون نفر در سراسر جهان، با دیابت زندگی می‌کنند. دلیل بروز دیابت این است که پانکراس نمی‌تواند انسولین تولید کند، یا به مقاومت به انسولین دچار می‌شود. بنابراین، نمی‌تواند تعادل گلوکز را در انسان‌ها حفظ کند. دیابت ممکن است عوارض زیادی ایجاد کند؛ مانند نفروپاتی، قطع عضو و رتینوپاتی.
در حال حاضر، پیشنهاد برای درمان دیابت، براساس گلوکومتر و بهدنبال آن، تزریق دستی انسولین زیرجلدی است. بااینحال، این آزمایش قادر به ردیابی نوسانات واقعی در گلوکز خون نیست و احتمال دارد به هیپرگلیسمی پیش‌بینی‌ناپذیر منجر شود که ممکن است برای سلامت بیمار، بسیار مضر باشد و انسولین بهطور خودکار و هوشمندانه برای مدیریت گلوکز، تحویل داده نمی‌شود.
پایش مداوم قند خون و پمپ انسولین برای تشخیص قند خون و تحویل انسولین ضروری‌اند. سیستم پانکراس مصنوعی با استفاده از حسگر قند خون، میزان گلوکز را تشخیص میدهد. سپس الگوریتم حلقة بسته، تحویل انسولین را با استفاده از میکروپمپ کنترل می‌کند. مایع بینابینی (ISF) نوعی مایع زیستی برای نظارت غیرتهاجمی بر سطح گلوکز است. بنابراین، بسیاری از پانکراس‌های مصنوعی مبتنیبر پلتفرم ISF، برای مدیریت خودکار دیابت توسعه داده شدند.
برای حل چالش‌های موجود، این مطالعه نوعی سیستم نوآورانة حلقة بسته را معرفی می‌کند که در آن، از ساختار میکرولولة بلند و پمپ اولتراسونیک استفاده شده است. این طراحی شامل سوزن داخلی است که پوست را سوراخ می‌کند و سپس خارج می‌شود و میکرولوله‌ها را در مایع بینابینی باقی می‌گذارد. روی دیوارة خارجی میکرولوله، حسگر گلوکز ساخته شده است که امکان اندازه‌گیری غلظت گلوکز ISF را در مقایسه با حسگرهای سوزن میکرونی، با دقت بیشتری فراهم می‌کند؛ زیرا سطح الکترود در هربار واردشدن، ثابت می‌ماند.
تحویل انسولین از طریق پمپ اولتراسونیک و میکرولوله انجام می‌شود و تنظیم دقیق میزان انسولین براساس تشخیص حسگر میکرولوله، با برد مدار چاپی کنترل می‌شود. پمپ اولتراسونیک می‌تواند هر دو نیاز حجم کم و جریان بالا را برآورده کند. بنابراین، کارایی را افزایش و مصرف انرژی را کاهش دهد. اندازه‌گیری‌های حسگری الکتروشیمیایی با استفاده از پتانسیواستات انجام شده است.
آمادهسازی حسگر
دو ناحیه از میکرولوله به‌ترتیب با 5 نانومتر تیتانیوم و 200 نانومتر طلا پوشش داده شدند. یکی از الکترودهای طلا بهعنوان الکترود مرجع و دیگری بهعنوان الکترود کاری عمل کرد.
شکل 1 فرایند آمادهسازی سیستم درمانی دیابت را ترسیم می‌کند. این سیستم شامل پایش قند خون با میکروتیوب بلند برای شناسایی گلوکز در مایع میان‌بافتی، پمپ اولتراسونیک برای تزریق انسولین زیر پوست و برد مجهز به الگوریتم کنترل حلقة بسته است.
هنگامی که به داخل پوست وارد می‌شود تا به ISF برسد، حسگری که در بالای سمت خارجی میکروتیوب بلند قرار دارد، مولکول‌های گلوکز در ISF را شناسایی و الکترون‌های آزاد تولید می‌کند که به ایجاد جریان پاسخ منجر می‌شود. سپس این جریان به مقدار دیجیتال قند خون تبدیل می‌شود. اگر مقدار پیش‌بینی‌شدة قندخون از میزان مشخصی فراتر برود، الگوریتم، ولتاژ AC را به پمپ اعمال و بهصورت پاسخ‌گو، انسولین را در داخل پوست آزاد می‌کند. سپس انسولین تزریق‌شده می‌تواند از طریق سیستم گردش خون، به سراسر بدن منتقل شود و به سلول‌ها کمک کند تا گلوکز ISF را جذب کنند و سطح قند خون را کاهش دهند.
شکل 1. شماتیک ساختاری پانکراس مصنوعی براساس سنسور میکرولوله بلند و پمپ اولتراسونیک. این شکل میکرولولة بلندی را بهعنوان ابزاری برای تشخیص و تحویل در داخل بدن نشان میدهد.
در شکل 2، سیستم هوشمند یکپارچه‌ای که براساس میکروتیوب بلندی درحال استفاده روی پوست است، نشان داده شده است که بعد از یک وعدة غذایی، بهطور هوشمندانه دیابت را مدیریت می‌کند. قند خون و مقدار انسولین تزریق‌شده می‌توانند از طریق اپلیکیشن موبایل نظارت شوند.
شکل 2. پانکراس مصنوعی برای فعالیت‌های مختلف روزانه، مانند وعده‌های غذایی، روی بازوی فرد بسته می‌شود.
دستگاه پایش مداوم قند خون، ابتدا سیگنال را از طریق میکروچیپ تبدیل و سپس مقدار انسولین مورد نیاز برای تزریق را برای تحریک پمپ به بدن محاسبه می‌کند. داده‌های قند خون و مقدار انسولین نیز به تلفن همراه کاربر و فضای ابری ارسال می‌شوند؛ جایی که پزشکان می‌توانند به این داده‌ها دسترسی داشته باشند و برای بیماران مختلف، برنامه‌های درمانی تنظیم کنند.
آمادهسازی و اصلاح سیستم حلقة بسته میکروتیوب بلند
قابلیت جذب مایع میان بافتی به‌دلیل هم‌بستگی آن با سطوح قند خون، اثبات شده است. بااینحال، دربارة زمان تأخیر بین سطوح قند خون و سطوح گلوکزISF ، دهه‌ها مطالعه شده است. در مقایسه با حسگرهای میکرونی موجود، حسگر میکروتیوب بلند (به ارتفاع یک سانتی‌متر) به‌دلیل عمق بیشتر و رصد به‌موقع نوسانات گلوکز، سطوح قند خون را دقیق‌تر پیش‌بینی می‌کند.
فرایند آمادهسازی سنسور میکروتیوب بلند بدین شکل بود که ابتدا، میکروتیوب بلندی با دو الکترود تیتانیوم و طلا پوشش داده شد که یکی از الکترودها بهعنوان الکترود کاری و دیگری بهعنوان الکترود مرجع عمل می‌کرد.
آمادهسازی پمپ انسولین PZT
شکل 3 اصول کار پمپ انسولین را نشان میدهد. کارایی زیاد انسولین در کاهش قند خون، به دقت در نرخ‌های جریان پمپ نیاز دارد تا از هیپوگلیسمی جلوگیری شود. برای دقت زیاد و پاسخ سریع، از پیزوالکتریکی با پایة PZT استفاده شد.
شکل 3. تست عملکرد حسگر گلوکز مبتنیبر میکرولوله
شکل 4 اصل کار و ساختار پمپ انسولین مبتنیبر PZT را نشان میدهد که از چهار بخش تشکیل شده است: 1. محفظة ذخیره‌سازی انسولین، 2. لاستیک برای کاهش لرزش‌های PZT، 3. فولاد با سوراخ‌های مرکزی، 4. PZT که با اعمال ولتاژ AC فولاد را خم می‌کند. در حین عملیات، کشش فولاد توسط حلقة PZT، موجب تغییر حجم و خروج محلول می‌شود. قطبش خودبه‌خودی، زمانی که میدان الکتریکی به حلقة PZT اعمال می‌شود، در تغییر شکل سوراخ مخروطی تأثیر می‌گذارد.
شکل 4. ساختار و عملکرد پمپ اولتراسونیک برای تحویل انسولین (نمودار شماتیک اصلی پمپ PZT)
استفاده از همان میدان تغییر شکل، PZT را افزایش میدهد، فولاد را فشرده و ورود انسولین بیشتری را امکان‌پذیر می‌کند. برعکس، میدان معکوس، فضای سوراخ را تنگ و انسولین را به‌سمت پایین هدایت می‌کند. آرایش سوراخ‌های مخروطی با استفاده از برش لیزری ساخته شده است. شکل 5 فرایند آمادهسازی پمپ اولتراسونیک را نشان میدهد. تعدادی میکروسوراخ در مرکز صفحه از فولاد ضدزنگ SUS304 ماشین‌کاری شده‌اند، تا مایع بتواند از آن عبور کند. سپس این صفحه به حلقة PZT با اندازة مناسب متصل می‌شود. در نهایت، پس از جوشکاری و مونتاژ، فرایند پمپ کامل می‌شود.
شکل 5. فرایند آمادهسازی پمپ PZT
برای ارزیابی کارایی این سیستم حلقة بسته در درمان دیابت، شناسایی سطح قند خون بهصورت فوری و تحویل انسولین روی خرموش های دیابتی تحت بیهوشی انجام شد. سیستم حلقة بسته بر پشت خرموش نصب و محکم شد و دستگاه میکروتوبی با طول بلند، از طریق سوراخی که در پوست خرموش، با واردکردن سوزن فولادی ایجاد شده بود، عبور داده شد و سپس به دستگاه، چیپ الکترونیکی و لپ‌تاپی با سیم‌های هادی متصل شد. داده‌های قند خون بهصورت فوری اندازه‌گیری و انسولین برای درمان دیابت تزریق شد.
ساختار به‌‌‌شدت یکپارچه، که حسگر و تحویل‌دهنده را ترکیب می‌کند، می‌تواند در دقت حسگر تأثیر بگذارد. هر چرخة ده‌دقیقه‌ای شامل چندین فرایند است: ابتدا، جریان‌های شناسایی به‌مدت دو دقیقه اندازه‌گیری می‌شوند تا مقادیر قند خون با استفاده از کرونوآمبرومتری تحلیل شود. سپس به‌مدت دو دقیقه، ولتاژ AC برای تحویل انسولین به پمپ PZT اعمال می‌شود و در نهایت، به‌مدت یک دقیقه، برای تثبیت تعادل، بین گلوکز و مایع بین بافتی استفاده می‌شود.
بحث و نتیجه‌گیری
این مطالعه نوعی پانکراس مصنوعی یکپارچه و پوشیدنی مبتنیبر لولة بلند را برای تشخیص و درمان هم‌زمان دیابت توسعه داده است. این دستگاه شامل چندین مؤلفه است: حسگر گلوکز لوله‌بلند، پمپ انسولین با موتور پیزوالکتریک، الگوریتم کنترل مبتنیبر تعلیق و مدارهای سخت‌افزاری.
لولة بلند بهعنوان ابزاری برای دسترسی به مایع میان‌بافتی با ماهیت کم‌تهاجمی و پوشیدنی عمل می‌کند. مهم‌تر از همه، سطح گلوکز خون و تحویل انسولین می‌توانند بهعنوان مراجع اساسی برای تشخیص‌های بالینی و فیزیولوژیکی در زمان واقعی عمل کنند. بنابراین، این پیشرفت‌ها بستری بسیار امیدبخش ارائه می‌کنند و فرصت‌های نوین را برای درمان دیابت، ترویج می‌دهند.
Reference
1. Luo .X, Xie. J, “An Intelligent Wearable Artificial Pancreas Patch Based on a Microtube Glucose Sensor and an Ultrasonic Insulin Pump”, Talanta, 273 (2024) 125879.
