فراتر از تحویل: انقلاب حلقه بسته-سیستم‌های میکروسوزن یکپارچه به‌عنوان بسترهای تشخیصی فعال{1}}

فراتر از تحویل: انقلاب حلقه بسته-سیستم‌های میکروسوزن یکپارچه به‌عنوان «سکوهای تشخیصی فعال-درمانی»

مقدمه: از "یک-کانادویت یک طرفه" تا "مرکز هوشمند"

فناوری میکروسوزن فعلی تا حد زیادی به عنوان یک "انژکتور بدون درد" شناخته می شود که به دلیل قابلیت های انتقال غیرفعال آن ارزش دارد. با این حال، پتانسیل انقلابی واقعی آن در تبدیل شدن به یک رابط زیستی یکپارچه و دو جهته نهفته است. این یک تضاد سطح سیستم‌ها-عمیق را معرفی می‌کند: چگونه می‌توان ماژول‌های سنجش، محاسبات، و ارتباطات را در یک فضای محدود میکرونی- بدون به خطر انداختن عملکردهای اصلی سوراخ‌کردن و بارگذاری دارو با هم-ادغام کرد؟ یک سیستم یکپارچه بیش از حد قدرتمند، یک عامل بزرگ و سفت و سخت که نمی تواند به پوست بچسبد، به خطر می اندازد. برعکس، کوچک‌سازی شدید ممکن است دقت حس، ذخایر انرژی یا قدرت پردازش را قربانی کند. آینده میکرونیدل‌ها در تبدیل شدن به «میکرو{6}}کلینیک‌های مستقلی است که مستقیماً روی پوست مستقر می‌شوند.

1. تضاد سیستمی: درجه یکپارچگی در مقابل فاکتور فرم و زیست سازگاری

ادغام قابلیت‌های پیچیده روی یک وصله{0}}به اندازه تمبر با محدودیت‌های فیزیکی شدید و الزامات زیست سازگاری مواجه است.

گلوگاه انرژی:حسگر فعال، فعال سازی میکروپمپ و ارتباطات بی سیم همگی نیاز به انرژی دارند. باتری های سنتی حجیم، سفت و سخت و حاوی مواد شیمیایی خطرناک هستند. برداشت انرژی (به عنوان مثال، سلول های سوخت زیستی، نانو ژنراتورهای تریبوالکتریک) با خروجی ناپایدار ناکارآمد باقی می ماند.

تداخل سیگنال:​ وقتی میکروسوزن‌های متراکم به طور همزمان زایمان (به طور بالقوه از طریق الکترواسموز یا یونتوفورز) و سنجش (الکتروشیمیایی، نوری) انجام می‌دهند، خطرات تداخل الکتروشیمیایی و آلودگی متقاطع{0} سیال بسیار زیاد است.

الزامات انعطاف پذیری:پوست انسان دائماً در حال حرکت، خم شدن و تعریق است. یک وصله یکپارچه سخت و دست و پا گیر را نمی توان به راحتی استفاده کرد

2. راه حل 1: مدولارسازی و ادغام ناهمگن - برنامه ریزی "میکرو{3}}شهری روی پوست

ما فلسفه "سیستم-در-بسته" (SiP) را به جای رویکرد "سیستم-روی-تراشه" (SoC) اتخاذ می‌کنیم که توابع را در فضای محدود پارتیشن بندی می‌کند.

ادغام ناهمگن عمودی:تقسیم سیستم به سه لایه:

لایه عملکردی "Frontline" (خود آرایه میکروسوزن):​ فقط بیشترین عملکردهای اصلی را دارد که نیاز به تماس مستقیم با بافت-مخزن‌های دارو، میکروالکترودها و ورودی‌های کانال میکروسیال دارند. ساخته شده از مواد زیست تخریب پذیر، پس از انجام عملکرد خود حل می شود.

لایه پردازش "لجستیک" (زیر لایه انعطاف پذیر):​ حسگرهای کوچک، پمپ‌ها/شیرهای میکروسیال، و مدارهای پیش{0}پردازش را یکپارچه می‌کند. این لایه از فناوری انعطاف پذیر الکترونیکی استفاده می کند که از طریق ردپای مارپیچی که استرس مکانیکی را جذب می کند به "خط مقدم" متصل می شود.

لایه هاب "Command" (ماژول هسته قابل جدا شدن):ریزپردازنده، ماژول بی سیم و منبع تغذیه اصلی را در خود جای داده است. طراحی شده به عنوان یک ضربه محکم{1}}روی ماژول، می‌تواند برای تعویض باتری یا ارتقاء الگوریتم حذف شود، در حالی که وصله یکبار مصرف روی پوست باقی می‌ماند. این امر معضلات اصلی انرژی و قابلیت ارتقا را حل می کند.

چندگانه سازی مکانی و زمانی:مجموعه یکسانی از میکروسوزن ها در زمان های مختلف نقش های متفاوتی را ایفا می کند. به عنوان مثال، در ساعت 8:00 صبح، سوزن ها به عنوان حسگر گلوکز عمل می کنند. به محض تشخیص هیپرگلیسمی، در ساعت 12:00 بعد از ظهر، همان سوزن‌ها با سیگنال‌های کنترلی-میکر-هیدروژن‌های ساخته شده را فعال می‌کنند تا هیدروژل‌های واکنش‌گر حرارتی- را برای آزاد کردن انسولین فعال کنند. کنترل زمان دقیق، مالتی پلکس شدن عملکردی پویا را امکان پذیر می کند.

3. راه حل 2: ادغام عمیق میکروسیال و سنجش - از "نمونه برداری" تا "تحلیل آنلاین"

میکروسوزن‌های تشخیصی سنتی صرفاً «نمونه‌گیری» را انجام می‌دهند و آنالیزهای خارجی انجام می‌شود. ما حلقه بسته- "نمونه به داخل، پاسخ بیرون" را به حرکت در می آوریم.

آزمایشگاه-روی-یک-تراشه میکروفلوئیدیک:​ یکپارچه‌سازی اتاق‌های اختلاط در مقیاس میکرون، محفظه‌های واکنش، کانال‌های جداسازی و سلول‌های تشخیص بر روی یک بستر انعطاف‌پذیر. پس از وارد کردن، مایع بینابینی به طور خودکار از طریق نیروی مویرگی یا پمپ های مینیاتوری به داخل تراشه کشیده می شود. متعاقباً، معرف‌های از قبل ذخیره‌شده به‌طور خاص با بیومارکرهای هدف (مانند واکنش‌های آنزیمی، اتصال ایمنی) واکنش نشان می‌دهند.

روش های سنجش درجا:

سنجش الکتروشیمیایی:اصلاح میکروسوزن ها با آنزیم ها یا آپتامرهایی که با اهداف (مانند گلوکز، اسید اوریک) واکنش می دهند تا تغییرات سیگنال الکتریکی را ایجاد کنند. این بالغ ترین روش است.

سنجش نوری:استفاده از میکروسوزن های توخالی به عنوان موجبرهای مینیاتوری یا بارگذاری پروب های فلورسنت در نوک های قابل حل. پس از قرار دادن، یک طیف‌سنج مینیاتوری در خارج از پوست، تغییرات شدت فلورسانس را می‌خواند و غیرتهاجمی را قادر می‌سازد.در محلتشخیص

رابط طیف سنجی جرمی:ترکیب آرایه های میکروسوزن با نوک یونیزاسیون اسپری کاغذ. پس از نمونه برداری از پوست، یک ولتاژ بالا به طور مستقیم در نوک آن اعمال می شود تا مولکول های نمونه برای تجزیه و تحلیل توسط طیف سنج جرمی قابل حمل یونیزه شود. این امکان را برای-نظارت omics زمان واقعی باز می کند.

4. راه حل 3: بسته-بازخورد حلقه و انتشار تطبیقی ​​- شفای واقعی "هوشمند"

هدف نهایی ادغام، تشکیل یک حلقه بسته ادراک-تحلیل-اجرا است.

سیگنال فیزیولوژیکی-بر اساس تقاضا-انتشار:​ این سیستم به طور مداوم نشانگرهای زیستی (به عنوان مثال، سیتوکین التهابی IL-6) را نظارت می کند. هنگامی که غلظت از یک آستانه فراتر رود، ریزپردازنده میکرو{5}}الکترودها را برای اعمال جریان ضعیف فعال می‌کند و حالت شارژ هیدروژل‌های پاسخ‌دهنده به pH را در نوک آن تغییر می‌دهد و باعث می‌شود آنها متورم شوند و داروهای ضدالتهابی جدا شده (مانند دگزامتازون) آزاد شوند.

کنترل فضایی و زمانی برنامه ریزی شده خارجی:​ از طریق Near{0}}ارتباطات میدانی (NFC)، یک پزشک می‌تواند به‌صورت بی‌سیم پروتکل انتشار پچ میکروسوزن را برنامه‌ریزی کند. به عنوان مثال، در درمان فتودینامیک تومور، یک مجموعه ریز سوزن ابتدا یک حساس کننده به نور آزاد می کند. ساعت‌ها بعد، پس از فعال‌سازی نور خارجی، به مجموعه دیگری دستور داده می‌شود که یک کوئنچر آزاد کند تا پنجره و محدوده درمانی را دقیقاً کنترل کند و از بافت طبیعی محافظت کند.

5. اعتبارسنجی: مدل پوست Ex Vivo بسته-تست حلقه و اثبات In Vivo-از-مفهوم

پیچیدگی سیستم های یکپارچه نیاز به اعتبارسنجی مرحله ای دقیق دارد.

تست 1: اعتبارسنجی مدل پویا پوست Ex Vivo:ساخت نمونه اولیه «پچ انسولین هوشمند» که با میکروپمپ، حسگر گلوکز و مخزن انسولین ادغام شده است. روی مایع بینابینی مصنوعی جاری و قابل برنامه ریزی پویا قرار می گیرد که با پوست بریده شده پوشانده شده است. این آزمایش تأیید می‌کند که آیا سیستم به‌طور خودکار تزریق انسولین را بر اساس افزایش‌های گلوکز پس از غذای شبیه‌سازی شده شروع می‌کند و گلوکز «بینابینی» را در یک محدوده تنظیم‌شده در عرض 2 ساعت تثبیت می‌کند. این قابلیت اطمینان الگوریتمی و سرعت پاسخ حلقه تحریک حسگر-را تأیید می‌کند.

تست 2: مدل حیوان کوچک اثبات مفهوم-:استفاده از یک دستگاه مینیاتوری که حسگر آنالوگ گلوکز دارای برچسب فلورسنت و ردیابی ترشح انسولین را در پشت تراشیده شده موش های مدل دیابتی ادغام می کند. اندازه‌گیری گلوکز خون از طریق نمونه‌برداری ورید دم به عنوان استاندارد طلایی، انجام آنالیز همبستگی (تحلیل شبکه خطای کلارک) با داده‌های ارسال شده به‌صورت بی‌سیم از پچ. به طور همزمان، نظارت بر رفتار موش (بدون خراش، اضطراب) در هنگام استفاده برای ارزیابی زیست سازگاری و راحتی.

نتیجه‌گیری: یک اکوسیستم میکرو{0} برای تشخیص و درمان روی پوست

میکروسوزن‌های آینده از تک بعدی «ابزار تحویل» فراتر می‌روند و به پلتفرم‌های{0}}میکرو{1}}تطبیقی، چند منظوره و بسته که در اولین خط دفاعی بدن مستقر می‌شوند، تبدیل می‌شوند. آنها مرزهای بین درمان و تشخیص را محو می کنند و به "ترانوستیک" واقعی پی می برند. درYixinx Life Sciences، چشم انداز ما این است که این میکرو-اکوسیستم را روی پوست بسازیم. از طریق سه ستون فن‌آوری ادغام ناهمگن، همجوشی میکروسیال، و کنترل حلقه بسته هوشمند، آرایه‌های میکروسوزن را از «کلیدهای» غیرفعال به «قفل‌سازان، نگهبانان امنیتی و مهمانداران» تبدیل می‌کنیم. این صرفاً یک تکرار تکنولوژیکی نیست، بلکه یک تغییر پارادایم در مراقبت‌های بهداشتی است- که از مداخلات دوره‌ای بیمارستانی به سمت حفظ سلامت پیشگیرانه که با تداوم، شخصی‌سازی و استقلال مشخص می‌شود، حرکت می‌کند و ابتکار عمل سلامت را به هر فردی برمی‌گرداند.