Биосенсоры: основы и приложения - Тёрнер Э.
Скачать (прямая ссылка):
Материал неферментной мембраны
С)
Материал неферментной мембраны (2)
Геометрия сенсора
Г альванический
элемент
Найлон
Ковалентное связывание глутаровым альдегидом Полипропилен
Pt анод/Н202 Сефароза
Ковалентное связывание циано-генбромидом Ацетилцеллюлоза
02-электрод
Кларка
Найлон
Ковалентное связывание глутаровым альдегидом Полипропилен
Pt анод/Н202 Ацетилцеллюлоза
Ковалентное связывание глутаровым альдегидом Полиуретан
Пористый теф- Пористый теф- Поливиниловый
Плоский
Плоский
лон спирт
Проточный сосуд Игольчатый
22.7. Искусственная поджелудочная железа
Первое внешнее электромеханическое устройство, используемое в качестве
системы ввода инсулина с замкнутым контуром, было создано в 1964 г. [26].
Всякий раз, когда содержание глюкозы в крови превышало 1,5 г/л (8,33
ммоль/л) или падало ниже 0,5 г/л (2,77 ммоль/л), в кровь вводили
соответственно инсулин или глюкагон. Однако такая система не могла
нормализовать гликемию. Возрождение в 70-х годах интереса к этому
прикроватному прибору, известному как искусственная поджелудочная железа,
привело к усовершенствованию систем обратной связи, управляющих введением
инсулина. В работе [2] контроль подачи инсулина был возложен на
компьютер, рассчитывавший количество вводимого инсулина с учетом
ежеминутных вариаций уровня сахара в крови. В 1977 г. Клеменс и сотр.
сконструировали первое устройство этого типа для серийного выпуска-
Biostator Glucose - Controlled Insulin Infusion System (60 кг, 42 x 46 x
46 см). С тех пор различными группами исследователей были изготовлены и
усовершенствованы аналогичные устройства, функционирующие как бета-клетки
поджелудочной железы, с использованием экстракорпоральных глюкозных
сенсоров [18, 19, 29, 32, 43].
В работе [7] описана имплантация страдающей диабетом собаке небольшой
искусственной поджелудочной железы, состоящей из глюкозного сенсора с
кислородным детектором, электронного блока, микронасоса и источника
питания. Сенсор аналогичен рассмотренному в разделе 22.4.1. Насос
представлял собой пьезоэлектрический прибор, отделенный от резервуара с
инсулином соленоидным клапаном. Инсулин вводился в брюшную полость при
синхронной подаче импульсов на насос и клапан. Однако в этих
экспериментах, как и в дополнительных опытах на семи собаках
328
Глава 22
[8], инсулина вводилось явно недостаточно из-за неадекватного отклика
глюкозного сенсора на содержание глюкозы.
Примечательным достижением в смысле миниатюризации явился разработанный
авторами [41] прибор для постоянного ношения (400 г, 12 х 15 х 6 см) с
замкнутым контуром и имплантируемым игольчатым сенсором. С помощью этого
прибора обеспечивается краткосрочный контроль гликемии у больных диабетом
[42] (см. гл. 23).
22.8. Заключение
В последние годы углубилось понимание физиологических, физико-химических
и электрохимических процессов, что позволило сформулировать основные
требования к глюкозным сенсорам, предназначенным для работы in vivo. Это
понимание уже начало приносить свои плоды и в области технологии. Однако
ряд вопросов все еще остаются без ответа, а некоторые решенные проблемы
не нашли практического воплощения.
Что касается функционирования сенсора при имплантации in vivo, то
необходимо оптимизировать взаимное расположение глюкозооксидазного слоя и
защитных мембран, чтобы обеспечить долговременную стабильность фермента и
достаточные локальные концентрации глюкозы и кислорода при минимальном
раздражении ткани. Углубленное представление о функционировании сенсоров,
как in vitro, так и in vivo позволит оптимизировать их конструкцию и
рабочие характеристики.
Могут оказаться ценными и другие подходы к созданию сенсоров, отличных от
сенсора на основе глюкозооксидазы. Хорошие перспективы могут быть,
например, у аффинных сенсоров. В имплантируемых устройствах обычно
необходим мембранный барьер между чувствительным элементом и
биологической жидкостью. Ясно, что неспособность таких мембран
поддерживать воспроизводимые параметры транспорта определяемого вещества
является основной причиной отказа биосенсорных устройств.
И наконец, надежды, вызываемые созданием надежного сенсора для длительной
работы в портативной системе введения инсулина с замкнутым контуром,
оправдывают усилия, затрачиваемые на продолжение этих исследований. Можно
надеяться, что облегчение контроля гликемии станет важным шагом в
предотвращении осложнений вследствие диабетической болезни.
Благодарности
Авторы глубоко признательны Caisse Nationale de l'Assurance Maladie des
Travailleurs salaries, Франция (грант CNAMIS-INSERM 85.3.54.8.E),
National Institute of Health, США (грант AM 30718) и Association des
Yeunes Diabetiques, Париж, Франция, за поддержку этой работы. Кроме того,
д-р Гилберто Велхо благодарен за поддержку С. N. Pq.
ЛИТЕРАТУРА
1. Albisser A.M., Spencer W.J. Electronics and the diabetic. IEEE Trans.
Biomed. Eng., 29, 239-48
(1982).
2. Albisser A. М., Leibel B. S., Ewart G" Davidovac Z" Botz С. K., Zingg
