ES3005083T3 - Method of making an enzyme membrane - Google Patents

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Robert James Boock
Huashi Zhang
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Abstract

Brevemente, se describe un método para fabricar una membrana enzimática para un electrodo de trabajo de un monitor biológico continuo. El método comprende: - preparar una emulsión acuosa de poliuretano; (1103) - preparar una emulsión de poliol acrílico; - mezclar la emulsión de poliuretano y la emulsión de poliol acrílico para obtener una emulsión base; (1105, 1107) - añadir una enzima a la emulsión base para crear una dispersión de emulsión de enzima/base, seleccionada según la función biológica a monitorizar; (1109) - aplicar la dispersión de emulsión de enzima/base al electrodo de trabajo; (1121) y - curar la dispersión de emulsión de enzima/base aplicada (1125). El método busca generar una estructura altamente estable y compacta que permita atrapar completamente la enzima dentro de la membrana. (Traducción automática con Google Translate, sin valor legal)

Description

DESCRIPCIÓN
Método para fabricar una membrana enzimática
Solicitudes relacionadas
Esta solicitud reivindica prioridad para (1) Solicitud Provisional de EE. UU. N.° 62/653,821, presentada el 6 de abril de 2018 y titulada "Dispositivo de Monitoreo Continuo de Glucosa"; (2) Solicitud Provisional de EE. UU. N.° 62/796,832, presentada el 25 de enero de 2019 y titulada "Electrodo de Trabajo de Carbono para un Sensor Biológico Continuo"; y (3) Solicitud Provisional de EE. UU. N.° 62/796,842, presentada el 25 de enero de 2019 y titulada "Capas de Membrana Mejoradas para el Electrodo de Trabajo de un Sensor Biológico Continuo".
Antecedentes
El control de los niveles de glucosa es fundamental para los pacientes con diabetes. Los sensores de monitoreo continuo de glucosa (MCG) son un tipo de dispositivo en el que se mide la glucosa a partir de un líquido extraído en un área justo debajo de la piel varias veces al día. Los dispositivos MCG generalmente implican una pequeña carcasa en la que se encuentran los componentes electrónicos y que se adhiere a la piel del paciente para usarse durante un período de tiempo. Una pequeña aguja dentro del dispositivo introduce el sensor subcutáneo, que suele ser electroquímico.
Las lecturas de glucosa tomadas por el sensor pueden ser rastreadas y analizadas por un dispositivo de monitoreo, por ejemplo escaneando el sensor con un receptor personalizado o transmitiendo señales a un teléfono inteligente u otro dispositivo que tenga una aplicación de software asociada. Las características del software que se han incluido en los sistemas MCG incluyen la visualización de los niveles de glucosa a lo largo del tiempo, la indicación de las tendencias de glucosa y la alerta al paciente sobre niveles altos y bajos de glucosa.
Los pacientes médicos a menudo tienen enfermedades o afecciones que requieren la medición y el informe de condiciones biológicas. Por ejemplo, si un paciente tiene diabetes, es importante que tenga una comprensión precisa del nivel de glucosa en su sistema. Tradicionalmente, los pacientes diabéticos han controlado sus niveles de glucosa pinchándose el dedo con una pequeña lanza, dejando que se formara una gota de sangre y sumergiendo después una tira reactiva en la sangre. La tira de prueba se coloca en un monitor portátil que realiza un análisis de la sangre e informa visualmente al paciente el nivel de glucosa medido. En función de este nivel notificado, el paciente toma decisiones sanitarias críticas sobre qué alimentos consumir o cuánta insulina inyectarse. Aunque sería ventajoso para el paciente controlar sus niveles de glucosa muchas veces a lo largo del día, muchos pacientes no controlan adecuadamente sus niveles de glucosa debido al dolor y las molestias. Como resultado, el paciente puede comer de forma inadecuada o inyectarse demasiada o muy poca insulina. De cualquier manera, el paciente tiene una calidad de vida reducida y un mayor riesgo de sufrir daños permanentes a su salud y a su cuerpo. La diabetes es una enfermedad devastadora que, si no se controla adecuadamente, puede provocar terribles afecciones fisiológicas como insuficiencia renal, úlceras en la piel o sangrado en los ojos y, eventualmente, ceguera, dolor y, a menudo, la amputación de extremidades.
Para complicar el control de la glucosa de un paciente, se sabe que los niveles de glucosa en sangre pueden aumentar o disminuir significativamente rápidamente, debido a varias causas conocidas y desconocidas. Por consiguiente, una sola medición de glucosa proporciona sólo una breve visión general del nivel instantáneo de glucosa en el cuerpo de un paciente. Una única medición de este tipo proporciona poca información sobre cómo cambia con el tiempo el uso de glucosa por parte del paciente o cómo reacciona el paciente a dosis específicas de insulina. En consecuencia, incluso en el caso de un paciente que siga un programa estricto de pinchazos en el dedo y pruebas con tiras reactivas, es probable que el paciente tome decisiones incorrectas en cuanto a la dieta, el ejercicio y la inyección de insulina. Por supuesto, esto se ve agravado por un paciente que es menos constante en las pruebas de tiras reactivas. Para brindar al paciente una comprensión más completa de su condición diabética y obtener un mejor resultado terapéutico, algunos pacientes diabéticos ahora utilizan la monitorización continua de la glucosa.
El sensor MCG normalmente se adhiere temporalmente a la piel del paciente con una almohadilla adhesiva, y el sensor MCG se acopla a una pequeña carcasa en la que se encuentran los componentes electrónicos. El sensor de MCG suele tener un dispositivo aplicador desechable que utiliza una pequeña aguja introductora para administrar el sensor de MCG por vía subcutánea al paciente. Una vez colocado el sensor MCG, se desecha el aplicador y se conecta la carcasa electrónica al sensor. Si bien la carcasa de la electrónica es reutilizable y puede utilizarse durante períodos prolongados, el sensor MCG y el aplicador deben reemplazarse con frecuencia, generalmente cada pocos días.
Se entenderá que, dependiendo de las necesidades médicas específicas del paciente, el monitoreo continuo de glucosa puede realizarse en diferentes intervalos. Por ejemplo, algunos monitores continuos de glucosa pueden configurarse para tomar múltiples lecturas por minuto, mientras que en otros casos el monitor continuo de glucosa puede configurarse para tomar lecturas cada hora aproximadamente. Se entenderá que un monitor de glucosa continuo puede detectar e informar lecturas de glucosa en diferentes intervalos, y la velocidad de lectura puede cambiar dependiendo de mediciones anteriores, la hora del día u otros criterios.
Los sensores electroquímicos de glucosa funcionan mediante el uso de electrodos que normalmente detectan una señal amperométrica causada por la oxidación de enzimas durante la conversión de glucosa en gluconolactona. La señal amperométrica puede luego correlacionarse con una concentración de glucosa. Los diseños de dos electrodos (también denominados bipolares) utilizan un electrodo de trabajo y un electrodo de referencia, donde el electrodo de referencia proporciona una referencia contra la que se polariza el electrodo de trabajo. Los electrodos de referencia completan esencialmente el flujo de electrones en el circuito electroquímico. Los diseños de tres electrodos (o tres polos) tienen un electrodo de trabajo, un electrodo de referencia y un contraelectrodo. El contraelectrodo repone la pérdida iónica en el electrodo de referencia y es parte de un circuito iónico.
Desafortunadamente, el coste actual de utilizar un monitor continuo de glucosa es prohibitivo para muchos pacientes que podrían beneficiarse enormemente de su uso. Como se ha descrito anteriormente, un monitor continuo de glucosa tiene dos componentes principales. En primer lugar, una carcasa para la electrónica, el procesador, la memoria, la comunicación inalámbrica y la alimentación. La carcasa suele ser reutilizable y puede reutilizarse durante períodos de tiempo prolongados, como meses. Esta carcasa luego se conecta o comunica con un sensor MCG desechable que se adhiere al cuerpo del paciente, que utiliza una aguja introductora para insertar subcutáneamente el sensor en el paciente. Este sensor debe reemplazarse, a veces con una frecuencia de hasta tres días, y probablemente al menos una vez cada dos semanas. Por lo tanto, el coste de comprar nuevos sensores desechables representa una carga financiera significativa para los pacientes y las compañías de seguros. Debido a esto, un número sustancial de pacientes que podrían beneficiarse de una monitorización continua de la glucosa no pueden utilizar dichos sistemas y se ven obligados a confiar en la monitorización mediante punción en el dedo, que es menos fiable y dolorosa.
El documento US 2009/0247856 describe dispositivos y métodos para proporcionar una medición continua de una concentración de analito. El dispositivo tiene un mecanismo de detección y una membrana de detección que incluye al menos un polímero que contiene un grupo tensioactivo y que está ubicada sobre el mecanismo de detección. El mecanismo sensor puede tener una capa bioprotectora configurada para bloquear sustancialmente el efecto y/o la influencia de especies no constantes causantes de ruido. El documento US 2003/0129314 proporciona un método para inmovilizar irreversiblemente una enzima en recubrimientos de poliuretano. Se describe que la síntesis de recubrimientos de poliuretano a base de agua en presencia de enzima permite la unión irreversible de la enzima a la matriz polimérica.
Compendio
La invención se define mediante las reivindicaciones adjuntas.
Descripción
En algunas realizaciones, un sensor de monitoreo continuo de glucosa incluye un electrodo de trabajo, un electrodo de referencia y un contraelectrodo. El electrodo de trabajo tiene un primer filamento con una primera superficie plana y un elemento electroquímico en la primera superficie plana. El electrodo de referencia tiene un segundo filamento con una segunda superficie plana y el contraelectrodo tiene un tercer filamento con una tercera superficie plana. El primer filamento, el segundo filamento y el tercer filamento sirven como filamentos sensores para el electrodo de trabajo, el electrodo de referencia y el contraelectrodo. La segunda superficie plana y la tercera superficie plana están enfrentadas entre sí.
En otra realización, se describe un nuevo electrodo de trabajo para su uso en un sensor biológico continuo. El electrodo de trabajo utiliza un sustrato de plástico que está recubierto con un compuesto especialmente formulado que contiene carbono. Este compuesto que contiene carbono es una dispersión acuosa de un material de carbono en un material elastomérico. El compuesto de carbono se aplica al sustrato de plástico y luego se aplican otras membranas y revestimientos para formar el electrodo de trabajo. El electrodo de trabajo puede luego asociarse con uno o más electrodos de referencia o contraelectrodos para formar el sensor biológico.
En un ejemplo, el sustrato plástico puede ser polietileno, polipropileno, poliestireno, cloruro de polivinilo o ácido poliláctico, y puede formarse en un filamento alargado. El material de carbono puede ser, por ejemplo, grafeno, grafito diamagnético, grafito pirolítico, carbono pirolítico, negro de carbono, pasta de carbono o tinta de carbono, que se dispersa acuosamente en un material elastomérico tal como poliuretano, silicona, acrilatos o acrílicos. Opcionalmente, se pueden agregar aditivos seleccionados al compuesto de carbono antes de colocarlo sobre el filamento de plástico. Estos aditivos pueden, por ejemplo, mejorar la conductividad o la sensibilidad eléctrica o actuar como catalizador de moléculas de analitos diana.
En una aplicación particular, el sustrato de plástico se forma en un filamento alargado y luego se recubre con un compuesto de carbono que tiene un material de carbono disperso acuosamente en un material elastomérico. Al compuesto de carbono puede añadirse un aditivo que actúe como catalizador del peróxido de hidrógeno, como la ftalocianina o el azul de Prusia. Además, el aditivo puede estar en forma de óxido metálico para mejorar las características eléctricas, siendo preferibles los óxidos metálicos formados con Cobre, Níquel, Rh o Ir.
Ventajosamente, se puede construir un electrodo de trabajo que sea duradero, fuerte, flexible y tenga características eléctricas y de sensibilidad excepcionales. Además, como el electrodo de trabajo puede construirse sin el uso de platino caro y raro, puede proporcionarse un electrodo de trabajo mucho más rentable. Un electrodo sin platino de este tipo permitirá proporcionar a los pacientes sensores menos costosos, lo que permitirá que más pacientes obtengan los beneficios sustanciales de la monitorización continua, y en particular, la monitorización continua de la glucosa. Esto también permite una mayor flexibilidad en el diseño mecánico y la construcción de sensores. Además, este diseño permite utilizar otros analitos/enzimas además de la glucosa, ya que muchos sistemas enzimáticos requieren electrodos de carbono para obtener el mejor rendimiento.
En otra realización más, se divulga un sensor para un monitor biológico continuo que tiene un electrodo de trabajo con (1) una nueva capa de interferencia para mejorar y estabilizar la interacción del peróxido de hidrógeno con una capa conductora y (2) una capa de glucosa limitante mejorada que está formada por enlaces físicos de hidrógeno. Aunque estos aspectos inventivos pueden utilizarse de forma independiente, se combinaron para formar un nuevo electrodo de trabajo y sensor altamente deseables. El nuevo sensor es más fácil y menos costoso de fabricar que los dispositivos anteriores y proporciona una sensibilidad mejorada, una mejor linealidad y una mayor precisión. En comparación con los sensores de trabajo anteriores, la nueva capa de interferencia regula con mayor precisión el flujo de peróxido de hidrógeno desde una membrana enzimática hasta su conductor eléctrico, y permite una mayor interacción entre el peróxido de hidrógeno y la superficie del conductor eléctrico. El nuevo sensor también tiene una capa protectora externa limitante de glucosa que se forma utilizando enlaces de hidrógeno físicos en lugar de proporcionar reticulación química.
En un ejemplo de la capa de interferencia, se electrodeposita un compuesto de interferencia sobre un sustrato conductor y la capa de enzima se aplica sobre el compuesto de interferencia. El compuesto de interferencia es 1) no conductor, 2) de paso iónico y 3) permoselectivo según el peso molecular. Además, se electrodeposita de forma fina y conforme, lo que permite un control más preciso del flujo de peróxido de hidrógeno desde la capa de enzima hasta el sustrato conductor. En un ejemplo particular, el material de interferencia se fabrica mezclando un monómero con un tampón ligeramente básico y, a continuación, electropolimerizando la mezcla hasta obtener un polímero. Por ejemplo, el monómero puede ser 2-aminofenol, 3-aminofenol, 4-aminofenol, anilina, naftol, fenilendiamina o mezclas de los mismos que se mezclan con un tampón y se electropolimerizan en un polímero. Se apreciará que se pueden utilizar otros monómeros. En un ejemplo más específico, el monómero es 2-aminofenol y el tampón es solución salina tamponada con fosfato (PBS) a un pH de aproximadamente 8. El monómero y el tampón se mezclan y se electropolimerizan para formar el polímero poliorto-aminofenol (PoAP). Luego, el PoAp se electrodeposita sobre el sustrato conductor. La permoselectividad del PoAP se puede ajustar mediante el pH del tampón, por ejemplo, añadiendo hidróxido de sodio (NaOH).
En un ejemplo de la capa limitante de glucosa, 1) un material de unión hidrófilo, 2) un material de unión hidrófobo y 3) un solvente se mezclan para formar un gel de unión. Luego se aplica el gel adhesivo sobre la capa de membrana enzimática y el gel se cura. El material hidrófilo se selecciona típicamente para que tenga un peso molecular alto, sea fácilmente dispensable y proporcione un fuerte enlace de hidrógeno En un ejemplo particular, el material de enlace hidrófilo es Polivinilpirrolidona (PVP). El material hidrófobo se selecciona para que sea biocompatible, tenga suficiente dureza y, al mismo tiempo, proporcione una interacción apropiada con el material hidrófilo y el solvente. Se ha descubierto que el poliuretano y la silicona son materiales hidrófobos deseables. Por último, el disolvente se selecciona para que sea polar, binario y lo suficientemente volátil como para cumplir los requisitos de curado.
Ventajosamente, la novedosa capa de interferencia y la novedosa capa de glucosa limitante son ambas económicamente fabricables para proporcionar electrodos de trabajo más rentables. Además, ambas nuevas membranas proporcionan una linealidad mejorada y características de detección generales para el electrodo de trabajo. En un ejemplo, la capa de interferencia no es conductora de electrones, pasa iones y es permoselectiva para el peso molecular y la capa de glucosa limitante es una formulación autoreticulante de poli acrílico y poliuretano.
En otra realización más de la invención, el filamento de trabajo tiene una capa enzimática que comprende una emulsión acuosa de una mezcla de poliuretano y GOx, que se aplica al filamento de trabajo y se cura. La nueva capa enzimática tiene mejor estabilidad y atrapamiento completo de GOx, una dispersión más uniforme y permite una mayor carga de GOx y una mejor sensibilidad general del sensor. También se entenderá que para medir otras funciones metabólicas se podrían sustituir otras enzimas por GOx.
En otra realización de la invención, el filamento de trabajo tiene una capa de carbono-enzima que comprende una emulsión acuosa de una mezcla de poliuretano, carbono y GOx, que se aplica y cura a un sustrato plástico para un filamento de trabajo. La nueva capa de carbono-enzima presenta una mayor estabilidad y un atrapamiento completo del GOx, una dispersión más uniforme y permite una mayor carga de GOx y una mejor sensibilidad global del sensor. Además, la capa de carbono-enzima es capaz de generar directamente electrones libres en proporción a la cantidad de glucosa reaccionada, eliminando así la necesidad de platino caro. También se entenderá que para medir otras funciones metabólicas se podrían sustituir otras enzimas por GOx.
Breve descripción de los dibujos
Estos y otros objetos y ventajas de la presente divulgación se harán evidentes al leer la siguiente descripción detallada y al hacer referencia a los dibujos y reivindicaciones.
La FIG. 1 muestra varias vistas de electrodos de superficie plana, de acuerdo con algunas realizaciones. Las FIGS. 2A-2D muestran varias vistas de electrodos de superficie plana con un filamento de núcleo de soporte triangular, de acuerdo con algunas realizaciones.
La FIG. 3 muestra un elemento electroquímico montado en un electrodo de superficie plana, de acuerdo con algunas realizaciones.
La FIG. 4A es una ilustración no a escala de un filamento recubierto de carbono para un electrodo de trabajo de acuerdo con algunas realizaciones.
La FIG. 4B es una ilustración no a escala de un filamento recubierto de carbono para un electrodo de trabajo de acuerdo con algunas realizaciones.
La FIG. 4C es una ilustración no a escala de un filamento recubierto de carbono para un electrodo de trabajo de acuerdo con algunas realizaciones.
La FIG. 5 es un diagrama de flujo de las etapas generales de fabricación de un electrodo de trabajo de acuerdo con algunas realizaciones.
La FIG. 6 es un diagrama no a escala de la sección transversal de un sensor de un solo filamento de la técnica anterior.
La FIG. 7A es un diagrama no a escala de la sección transversal de un sensor de 2 filamentos que tiene una capa de membrana de interferencia de acuerdo con algunas realizaciones.
La FIG. 7B es un diagrama no a escala de la sección transversal de un sensor de 2 filamentos que tiene una capa de membrana de interferencia y un electrodo de referencia revestido de acuerdo con algunas realizaciones.
La FIG. 8 es un diagrama de flujo de las etapas generales de fabricación para fabricar un sensor de 2 filamentos que tiene una capa de membrana de interferencia de acuerdo con algunas realizaciones.
La FIG. 9A es un diagrama no a escala de la sección transversal de un sensor de 2 filamentos que tiene una capa de membrana de interferencia y una capa de glucosa limitante de acuerdo con algunas realizaciones. La FIG. 9B es un diagrama no a escala de la sección transversal de un sensor de 2 filamentos que tiene una capa de membrana de interferencia, una capa de glucosa limitante y un electrodo de referencia revestido de acuerdo con algunas realizaciones.
La FIG. 10 es un diagrama de flujo de las etapas generales de fabricación para fabricar y aplicar una capa limitante de glucosa de acuerdo con algunas realizaciones.
La FIG. 11 es un diagrama de flujo de las etapas generales de fabricación para hacer y aplicar una capa enzimática de acuerdo con algunas realizaciones.
La FIG. 12 es un diagrama de bloques de sección transversal no a escala de un sensor de 2 filamentos que tiene una capa enzimática, una capa de interferencia, una capa de glucosa limitante y un sustrato sin platino de acuerdo con algunas realizaciones.
La FIG. 13A es un diagrama de bloques transversal no a escala de un sensor de 2 filamentos que tiene una membrana de carbono/GOx para la generación directa de electrones o peróxido y una capa de interferencia de acuerdo con algunas realizaciones.
La FIG. 13B es un diagrama de bloques de sección transversal no a escala de un sensor de 1 filamento que tiene una membrana de carbono/GOx para la generación directa de electrones o peróxido y una capa de interferencia de acuerdo con algunas realizaciones.
La FIG. 14A es un diagrama no a escala de la sección transversal de un sensor de 2 filamentos que tiene una membrana de carbono/GOx para la generación directa de electrones o peróxido de acuerdo con algunas realizaciones.
La FIG. 14B es un diagrama de bloques de sección transversal no a escala de un sensor de 1 filamento que tiene una membrana de carbono/GOx para la generación directa de electrones o peróxido y de acuerdo con algunas realizaciones.
La FIG. 15 es un diagrama de bloques de sección transversal no a escala de un sensor de 1 filamento que tiene un filamento de trabajo con una membrana de carbono/GOx para la generación directa de electrones o peróxido y un filamento de referencia adjunto de acuerdo con algunas realizaciones.
La FIG. 16 es un diagrama de flujo de las etapas generales de fabricación para fabricar y aplicar una membrana de carbono/GOx para la generación directa de electrones o peróxido de acuerdo con algunas realizaciones.
Descripción detallada
La presente divulgación se refiere a estructuras y procesos para sensores utilizados en un monitor metabólico continuo, tal como un monitor continuo de glucosa. En particular, los presentes dispositivos y métodos describen nuevas membranas y sustratos para su uso con un electrodo de trabajo en un sensor metabólico continuo. El coste puede ser un factor inhibidor para pacientes que podrían beneficiarse del uso de MCG. En consecuencia, existe una importante necesidad en el mercado de un sensor de menor coste para los monitores biológicos continuos. Se entenderá que la reducción de costes puede obtenerse reduciendo el coste de fabricación del propio sensor, aumentando el periodo de tiempo entre sustituciones del sensor, o mediante una combinación de la reducción de costes y el aumento de la vida útil. Al reducirse el coste de los sensores para la monitorización continua, más pacientes podrían beneficiarse del aumento de la calidad de vida y del efecto terapéutico de la monitorización continua.
La mayoría de los diseños de sensores MCG son planares (sustrato plano) o basados en filamentos. Los tipos planares son más adecuados para su uso con diseños electroquímicos tripolares, ya que se pueden construir fácilmente trazados de filamentos sencillos y electrodos pequeños. Sin embargo, los tipos planares presentan deficiencias en cuanto a la fisiología ya que un sustrato plano tiene cierta direccionalidad y también tiene bordes afilados debido a su geometría, lo que conduce a una respuesta biológica más agresiva al dispositivo. Los sistemas basados en filamentos producen mejores respuestas fisiológicas del paciente que los sistemas planos debido a la naturaleza suave de su geometría, pero se han limitado principalmente a un solo filamento para facilitar su inserción a través de una aguja. Esta restricción de un solo filamento debido a las limitaciones de espacio del suministro de sensores basados en agujas generalmente limita los diseños a diseños electroquímicos de 2 polos. El diseño bipolar tiene el inconveniente añadido de que el electrodo de referencia no es renovable y, por tanto, se consume material del electrodo para completar el circuito electroquímico, lo que limita la vida útil del sistema.
Un reto de los diseños de sensores basados en filamentos es realizar conexiones eléctricas en el extremo distal. La configuración de un solo filamento requiere la fabricación in situ de membranas de trabajo y productos químicos y, por tanto, limita los enfoques y materiales que pueden utilizarse en tales diseños. Para facilitar la fabricación, lo ideal sería utilizar filamentos separados para los electrodos de trabajo, de referencia y de contraelectrodo; sin embargo, este enfoque está limitado por el diámetro interno de las agujas de inserción.
Las presentes realizaciones revelan un diseño electroquímico de 3 polos basado en filamentos que resuelve las deficiencias de los diseños antes mencionados. Los productos químicos de trabajo se fabrican por separado de los filamentos y luego se unen a los filamentos del sensor subyacente. Esto permite reducir el coste de los materiales y métodos, ya que los componentes de los actuales dispositivos MCG pueden fabricarse independientemente unos de otros. Además, permite una fabricación a escala más rentable, ya que la fabricación de los filamentos por separado no requiere pruebas de calidad del sensor al 100 %, y las pruebas de calidad pueden realizarse por láminas o lotes. Algunas realizaciones de los sistemas basados en filamentos divulgados utilizan electrodos basados en carbono, como los basados en grafeno, fabricados en láminas a gran escala con sustancias químicas de trabajo que luego se fijan al electrodo de trabajo.
Diseño de electrodos de 3 polos basados en cables
La FIG. 1 ilustra una realización de un sistema de 3 polos basado en filamentos 100 de un sensor de monitoreo continuo de glucosa en el que se utiliza un diseño de filamento dividido. En esta realización, se proporciona una porción de un filamento, tal como medio filamento, para un electrodo de referencia 110 y un contraelectrodo 120, cada uno con una superficie plana a lo largo de aproximadamente su diámetro, de modo que los filamentos tienen secciones transversales semicirculares. En algunas realizaciones, la superficie plana del electrodo de referencia 110 y la superficie plana del contraelectrodo 120 están orientadas una hacia la otra. Cada electrodo de medio filamento, tales como el electrodo de referencia 110 y el contraelectrodo 120, pueden tener un área de superficie parcial tal como el 82 % del área de superficie de un filamento completo que tenga el mismo diámetro, permitiendo al mismo tiempo que el conjunto de electrodo de referencia y contraelectrodo quepa dentro de una aguja de inserción 102 de pequeño diámetro para su inserción bajo la piel. En otras palabras, la configuración de filamento dividido permite que el electrodo de referencia 110 y el contraelectrodo 120 proporcionen casi la misma área de superficie que dos electrodos de filamento completo, pero solo ocupan el espacio de un filamento dentro de la aguja de inserción 102 en lugar de dos filamentos completos. Aunque se representan medios filamentos para el electrodo de referencia 110 y el contraelectrodo 120 -donde cada filamento se ha dividido a lo largo de su diámetro a lo largo de una longitud del filamento- pueden utilizarse otras fracciones parciales del filamento para formar los electrodos de superficie plana como, por ejemplo, del 30 % al 70 %, o del 40 % al 60 %, típicamente definidos por una cuerda trazada a través de la sección transversal circular del filamento para obtener porcentajes mayores de la superficie de filamento completo.
Un electrodo de trabajo se fabrica creando también una porción plana en un filamento. La FIG. 1 muestra dos realizaciones: un electrodo de trabajo de un lado 130 y un electrodo de trabajo de dos lados 135, cualquiera de los cuales puede usarse. El electrodo de trabajo de una cara 130 tiene una sección transversal semicircular en la que se ha eliminado la mitad de la sección transversal del filamento, mientras que el electrodo de trabajo de dos caras 135 tiene una sección transversal rectangular en la que se han eliminado porciones del filamento por encima y por debajo de la parte plana. Las porciones retiradas pueden ser iguales o una porción, la superior o la inferior, puede ser mayor que la otra. La(s) porción(es) plana(s) del electrodo de trabajo 130 o 135 se utilizan para sostener un elemento electroquímico que es el componente reactivo que detecta la glucosa en el líquido intersticial del paciente.
La FIG. 1 también muestra la inserción de los electrodos en la aguja de inserción 102, donde puede verse que este diseño tripolar del sensor ocupa un espacio dentro del lumen de la aguja equivalente a sólo dos filamentos en lugar de tres filamentos. El electrodo de trabajo (donde el electrodo de trabajo de dos caras 135 se muestra en esta ilustración) utiliza el espacio de un filamento, y el electrodo de referencia 110 y el contraelectrodo 120 juntos ocupan el espacio de otro filamento. Los diámetros de los filamentos utilizados para el electrodo de referencia 110, el contraelectrodo 120 o el electrodo de trabajo 135 pueden ser, por ejemplo, de 0,005 cm (0,002 pulgadas) a 0,017 cm (0,007 pulgadas). La longitud o la superficie de las propias porciones de electrodo pueden adaptarse en función de la sensibilidad deseada del sensor y de las especificaciones de diseño requeridas.
En las FIGS. 2A-2D se muestran otras realizaciones de sistemas en los que se utilizan electrodos de superficie plana en un sensor de monitorización continua de glucosa. En las vistas de sección transversal radial de los diseños 200 (FIG. 2A) y 210 (FIG. 2B), los sistemas compactos se ensamblan a partir de un filamento de núcleo 140 de soporte que tiene una sección transversal triangular rodeada por el electrodo de trabajo 135, el electrodo de referencia 110 y el contraelectrodo 120 orientados hacia las superficies planas del filamento de núcleo triangular 140. Cada uno de los filamentos para el electrodo de trabajo 135, el electrodo de referencia 110 y el contraelectrodo 120 tienen superficies planas que están colocadas para estar frente a una superficie del filamento de núcleo 140 de forma triangular. Como se muestra en las FIGS. 2A-2B, el electrodo de referencia 110 y el contraelectrodo 120 son aproximadamente semicirculares en sección transversal, mientras que el electrodo de trabajo 135 puede ser semicircular (diseño 200 de la FIG. 2A) o rectangular (diseño 210 de la FIG.
2B) en sección transversal. Los esquemas 220 (FIG. 2C) y 230 (FIG. 2D) proporcionan una vista transversal longitudinal y una vista en perspectiva, respectivamente, del extremo del filamento de soporte triangular, mostrando que este diseño triangular puede ser un sensor completamente autoinsertado. Es decir, una punta 142 del filamento de nucleo triangular 140 puede estar afilada, o ser puntiaguda, de tal manera que el sensor pueda insertarse directamente, sin requerir el uso de una aguja para colocar el sensor dentro del tejido subcutáneo.
Las superficies planas de los electrodos en estas diversas realizaciones proporcionan soporte para materiales electroquímicos frágiles, como una lámina a base de carbono que normalmente es quebradiza. En un ejemplo, se puede crear una lámina de soporte (por ejemplo, hecha de pirrol o polianilina) y luego se deposita un material de carbono sobre la lámina de soporte. La lámina de soporte proporciona un sustrato al que el carbono se adhiere bien, y también debe ser conductora para acoplar eléctricamente la lámina electroquímica (por ejemplo, carbono/pirrol) al filamento del electrodo. El material de lámina conductora se puede luego impregnar o recubrir con productos químicos de detección mediante diversas técnicas de recubrimiento por centrifugación o de membrana estirada.
La lámina de material electroquímico se puede fabricar por separado del filamento del electrodo y luego montarse sobre la superficie plana del electrodo como se muestra en la FIG. 3. En este ejemplo de la FIG. 3, un filamento 310 que tiene un aislamiento 320 que rodea un núcleo de filamento conductor 330 tiene una porción de su extremo removida para formar una superficie plana 340. Una lámina 350 de carbono o carbono/grafeno/pirrol se corta a medida y se coloca sobre la superficie plana 340 del filamento de electrodo plano 310. Por ejemplo, una vez fabricadas las láminas planas con los productos químicos de detección, estas láminas 350 pueden cortarse con láser en pequeñas porciones y ensamblarse a continuación en la superficie plana 340 del filamento 310.
La lámina de soporte se puede realizar, por ejemplo, depositando una capa de pirrol para hacer contacto eléctrico con la superficie plana del electrodo. En otras realizaciones, se puede utilizar una electropolimerización de pirrol adicional para conectar el metal del electrodo a la lámina, o también se pueden utilizar adhesivos conductores u otros métodos de unión por contacto eléctrico para hacer contacto eléctrico.
En otras realizaciones, los componentes electroquímicos se pueden formar in situ en el electrodo en lugar de formar una lámina separada del electrodo. Por ejemplo, un método de fabricación alternativo para la creación in situ de la química y la membrana de detección puede incluir la impresión por tampón o serigrafía, la pintura o la impresión en 3D directamente sobre el plano o planos del filamento.
El material de carbono puede estar en forma, por ejemplo, de una tinta o una pasta, y el carbono puede incluir varios alótropos tales como, entre otros, grafito, grafeno, fulerenos y/o nanotubos. Pueden utilizarse materiales distintos del carbono puro, incluido el negro de platino, las pastas de carbono y platino, las pastas de carbono y oro u otros materiales conocidos de la superficie del electrodo de trabajo, solos o combinados (por ejemplo, carbono, platino, oro, paladio, rodio, iridio). En algunas realizaciones, se pueden utilizar materiales nanoporosos de alta superficie de grafeno y/u otros nanomateriales, para aumentar el número de sitios químicos activos disponibles para las reacciones.
Los carbones tienen un coste menor que los metales que normalmente se utilizan para aplicaciones biocompatibles (por ejemplo, oro y platino). Sin embargo, debido a la naturaleza frágil inherente de los materiales de carbono, los electrodos basados en carbono se han utilizado convencionalmente en electrodos de estilo planar (como los palillos de dedo), donde el carbono puede apoyarse en el sustrato planar sin aplicar cargas mecánicas indebidas sobre el electrodo. Las presentes realizaciones superan las dificultades de utilizar materiales a base de carbono en un electrodo de filamento proporcionando el soporte mecánico necesario para el material de carbono y eliminando la necesidad típica de fabricar in situ los productos químicos de trabajo en el filamento (aunque puede utilizarse la fabricación in situ).
Una vez creada la química de detección en el electrodo, ya sea por separado o in situ, se puede utilizar un recubrimiento final por inmersión para sellar todo el sistema utilizando la resistencia de aro creada por la contracción del polímero al secarse. Esta capa final de polímero también sirve como membrana biocompatible y limitante de glucosa necesaria para crear una respuesta de glucosa lineal y proporciona la bioseguridad requerida para un sensor implantado.
Las presentes realizaciones de filamento plano también pueden utilizarse para optimizar el sustrato electroquímico de modo que pueda sintonizarse para químicas de transferencia directa de electrones manteniendo el centro redox cerca de la superficie de carbono poroso o dentro de polímeros encapsulantes. Una de estas realizaciones utiliza un aminofenol unido covalentemente al electrodo de carbono mediante electroinjerto y posteriormente se une mediante química de diazonio a la glucosa oxidasa (GOx) para proporcionar una transferencia directa de electrones. Las realizaciones pueden utilizarse directamente con polímeros conductores (por ejemplo, PEDOT-PSS, polipirrolos, polianilinas, naftol, fenilendiamina , etc.) formados in situ sobre una lámina de carbono poroso que funcionaría con enzimas normales (ya sea glucosa oxidasa (GOx) o glucosa deshidrogenasa (GDH)) y/o enzimas con un mediador para crear sistemas enzimáticos híbridos que alteren la necesidad de altos voltajes de polarización y reduzcan así las interferencias de todas las fuentes.
En algunas realizaciones, una enzima redox puede inmovilizarse en la superficie del electrodo de una manera nueva, de forma que sea posible la transferencia directa de electrones entre el lado activo de la enzima y el transductor. La principal característica única de tales realizaciones de un sensor amperométrico de glucosa es que su potencial sesgado está en el rango de 0 a -0,5V, idealmente para estar alrededor de -0,1V. En comparación, un sensor MCG convencional tiene un potencial polarizado de típicamente 0,55 V. Hay dos métodos principales para lograr el potencial de menor polarización de los diseños actuales. Un primer método es una electropolimerización in situ de un polímero conductor con una enzima redox. La capa de detección se forma aplicando ciclos de potencial o secuencias de pulsos de potencial adecuados con la enzima y la solución de monómero/comonómeros. Una ventaja de este enfoque es que las películas se forman exclusivamente en las superficies de los electrodos debido a la iniciación electroquímica del proceso de deposición. Un segundo método es la incorporación de un mediador redox en los polímeros o el prepolímero. El polímero que contiene el mediador redox se puede mezclar físicamente con la enzima y luego depositarse sobre los electrodos mediante recubrimiento por inmersión, recubrimiento por centrifugación u otros métodos de recubrimiento. Esto también puede lograrse mediante la polimerización in situ del prepolímero que contiene mediador redox con otros prepolímeros activos en presencia de la solución enzimática y los electrodos. La capa de detección resultante en el electrodo contiene la enzima matricial dentro de la red de polímero con el mediador redox unido covalentemente.
Sustrato de carbono
En algunas realizaciones, se utiliza un sensor rentable sin platino en un sistema de monitoreo biológico continuo. Las realizaciones prevén una reducción sustancial en el coste de fabricación del electrodo de trabajo para dicho sensor biológico. Aunque las realizaciones se analizan principalmente para su uso en el monitoreo continuo de glucosa, se entenderá que existen muchos otros usos para la detección biológica que se beneficiarían de un sensor y un electrodo de trabajo de coste reducido.
Normalmente, un sensor para un sistema de monitorización biológica continua tiene un electrodo de trabajo y un electrodo de referencia. El electrodo de trabajo y el electrodo de referencia están construidos y dispuestos de tal manera que pueden detectar la concentración de un analito en el paciente, a menudo midiendo una concentración o flujo de iones dentro de la sangre u otros fluidos corporales, como el fluido intersticial (ISF). Se entenderá que un sensor puede incluir múltiples filamentos de trabajo, múltiples electrodos de referencia y contraelectrodos.
Generalmente, un electrodo de trabajo debe construirse para cumplir tres requisitos básicos. En primer lugar, debe ser lo suficientemente resistente como para soportar la inserción bajo la piel del paciente y las vibraciones, golpes y movimientos durante su uso. En segundo lugar, debe ser lo suficientemente flexible para seguir una trayectoria curva en la piel y permitir cierto movimiento después de la inserción para comodidad del paciente. Y en tercer lugar, debe ofrecer las características eléctricas necesarias para que la detección sea coherente y precisa. En consecuencia, los electrodos de trabajo conocidos suelen utilizar algún tipo de filamento de platino, ya sea un filamento de platino macizo o un material metálico menos costoso (como el tantalio) recubierto de platino. Esta dependencia y uso del platino es lo que explica en parte el elevado coste de los sensores biológicos actuales.
Ventajosamente, las realizaciones de la presente divulgación eliminan la necesidad de platino caro y raro para hacer un electrodo de trabajo que no sólo tiene suficiente resistencia mecánica y flexibilidad, sino que tiene características eléctricas y de detección superiores. Además, los electrodos de trabajo actuales están fabricados con materiales que se sabe que son seguros para el cuerpo humano. Esto también permite el uso de geometrías alternativas de sensores y diferentes estilos de fabricación de sensores.
En una realización particularmente rentable, el electrodo de trabajo utiliza un material plástico como sustrato. El material plástico es suficientemente resistente para soportar la inserción en el cuerpo humano, al tiempo que tiene la flexibilidad necesaria para la inserción y la comodidad del paciente. Este sustrato de plástico se puede convertir en un filamento alargado de muchas formas para soportar la construcción de diferentes tipos de sensores. A continuación, el filamento de plástico puede recubrirse con un compuesto de carbono especialmente formado. El filamento de plástico tiene la ventaja añadida de un mejor comportamiento a la fatiga en comparación con un filamento metálico de la misma dimensión. Tradicionalmente, los electrodos de pasta de carbono elemental no podían considerarse para su uso en un electrodo de trabajo flexible, ya que el carbono es muy frágil y necesitaba un soporte rígido. Además, los electrodos de pasta de carbono suelen ser solubles en agua, por lo que se disuelven y degradan cuando se introducen en un entorno húmedo. Y, por último, el carbono tiene una resistencia eléctrica elevada en comparación con el platino metálico, por lo que no es prácticamente utilizable como conductor en un sensor biológico. Sin embargo, las nuevas formas de carbonos en un compuesto portador utilizado sobre el filamento de plástico, tal como se divulga en el presente documento, superan las diversas desventajas del carbono elemental.
En algunas realizaciones, un compuesto de carbono se prepara como un recubrimiento que es una dispersión acuosa de un material de carbono con un material elastomérico. Por ejemplo, el material de carbono puede estar en forma de grafeno, grafito diamagnético, grafito pirolítico, carbono pirolítico, negro de carbono, pasta de carbono o tinta de carbono. En algunos casos, para apoyar aplicaciones particulares, pueden añadirse otros aditivos al compuesto de carbono para mejorar las características eléctricas y de respuesta. Por ejemplo, podría añadirse un catalizador de peróxido de hidrógeno al compuesto de carbono para favorecer una mayor sensibilidad al nivel de glucosa. Se entenderá que se pueden utilizar otras moléculas de detección para otras aplicaciones de detección.
A continuación, se aplica el compuesto de carbono, como se describió anteriormente, al filamento de plástico. En la mayoría de los casos, esto se haría mediante un simple proceso de inmersión, aunque se entenderá que el revestimiento también podría pulverizarse, extruirse, depositarse o incluso imprimirse sobre el filamento de plástico o los sustratos impresos directamente en 3-D. El filamento recubierto puede luego procesarse para convertirlo en un electrodo de trabajo mediante procesos conocidos agregando membranas, asociándolo con un electrodo de referencia y agregando recubrimientos biológicos protectores.
Haciendo referencia ahora a la FIG. 4A, FIG. 4B y FIG. 4C, se ilustran filamentos recubiertos de carbono 400. Los filamentos recubiertos de carbono 400 incluyen el filamento 411 en la FIG. 4A, el filamento 412 en la FIG.
4B y el filamento 413 en la FIG. 4C. Estas ilustraciones no están a escala y se utilizan únicamente con fines descriptivos. Los filamentos recubiertos de carbono 400 tienen cada uno un núcleo de plástico 415 que está completamente rodeado por un compuesto de carbono 418. Se entenderá que el núcleo de plástico 415 puede adoptar muchas formas físicas alargadas diferentes. Por ejemplo, como se ilustra en la FIG. 4A, el núcleo de plástico 415 puede tener una sección transversal circular. Como se ilustra en la FIG. 4B, el núcleo de plástico 415 puede tener una sección transversal rectangular o cuadrada. Y como se ilustra en la FIG. 4C, el núcleo de plástico 415 puede tener una sección transversal triangular. Se apreciará que se pueden utilizar muchas otras formas de sección transversal.
El compuesto de carbono 418 está formulado para tener características eléctricas superiores y características mecánicas apropiadas tales como resistencia y flexibilidad, y para ser rentable. Por ejemplo, una tinta conductora de carbono estándar tiene una resistividad de aproximadamente 23 ohmios/mm2, mientras que el compuesto de carbono 418 se puede formular para tener una resistividad mucho más deseable, como 1-5 ohmios/mm2. De esta manera, se ha descubierto que el compuesto de carbono 418 tiene una resistividad que es un orden de magnitud inferior a las tintas conductoras de carbono estándar, lo que aumenta drásticamente su utilidad y rendimiento como conductor para el cable de trabajo. El recubrimiento de carbono 418 no sólo es mucho menos costoso que el platino, sino que también es más fácil y rentable de aplicar como recubrimiento. Por ejemplo, el compuesto de carbono 418 se puede utilizar con un proceso de inmersión, pulverización, extrusión, deposición o impresión de bajo coste. Se entenderá que los filamentos recubiertos de carbono 400 se procesarán adicionalmente para agregar membranas y recubrimientos protectores según la aplicación específica, y que se asociarán con uno o más electrodos de referencia o contraelectrodos. Se entenderá que la asociación del filamento de trabajo con un filamento de referencia puede lograrse de varias maneras. Por ejemplo, el filamento de trabajo y el filamento de referencia pueden colocarse uno al lado del otro, formarse concéntricamente, enrollarse en una relación trenzada, colocarse en capas o formarse en cualquier otra relación física conocida para un filamento de trabajo y su filamento de referencia asociado.
En un ejemplo, el recubrimiento de carbono se puede formular de la siguiente manera. Se apreciará que muchas otras formulaciones entran dentro de las enseñanzas del presente documento.
Formulación ( % en peso para un total de 100 %)
una dispersión acuosa, que comprende
40-60 % poliuretano (es decir, Hauthaway HD4661,
40-60 % de poliol acrílico (es decir, Acquathane),
0,5-5 % Polivinilpirrolidona).
0,1-0,5 % de negro de carbono
0,05 %-0,5 % de grafeno
0,1-0,5 % de grafito pirolítico
0-10 % de agua adicional
Haciendo referencia ahora a la FIG. 5, se ilustra un proceso 500 para fabricar un electrodo de trabajo de carbono. El proceso 500 comienza con la selección de un material de sustrato plástico en la etapa 522. Este material de sustrato plástico se selecciona para que tenga suficiente resistencia para ser insertado bajo la piel de un paciente, así como flexibilidad para la comodidad del paciente y facilidad de fabricación. Además, se entenderá que el sustrato plástico debe ser biológicamente seguro y, en general, eléctricamente no reactivo. Se entenderá que una amplia gama de materiales cumple los requisitos mecánicos y funcionales del sustrato plástico seleccionado. Por ejemplo, se pueden utilizar numerosos polímeros orgánicos y termoplásticos. A título meramente ilustrativo, pueden utilizarse los siguientes materiales específicos de sustrato plástico: polietileno, polipropileno, poliestireno, cloruro de polivinilo y ácido poliláctico. Se apreciará que se puede utilizar una amplia variedad de materiales como sustrato plástico.
El material de sustrato plástico seleccionado se forma luego en un filamento plástico alargado en la etapa 523. Se entenderá que el filamento puede tener muchas formas de sección transversal, como circular, cuadrada o triangular. Generalmente, estos filamentos pueden formarse utilizando procesos de extrusión bien conocidos. El sustrato plástico también podría formarse en forma de cinta de filamento o, en algunos casos, fabricarse mediante impresión, como la impresión 3D.
En la etapa 525 se prepara un compuesto de carbono para aplicarlo al sustrato de plástico. El compuesto de carbono tiene un material de carbono que se dispersa acuosamente en un material elastomérico. El material elastomérico se selecciona por sus propiedades mecánicas, como la resistencia y la flexibilidad, mientras que el material de carbono se selecciona por una propiedad eléctrica ventajosa. Existen varios materiales elastoméricos aceptables que pueden proporcionar las características deseadas, por ejemplo: como poliuretano, silicona, acrilatos o acrílicos. Se entenderá que se pueden sustituir otros materiales elastoméricos. Los resultados experimentales relacionados con la presente divulgación han demostrado que el compuesto de carbono, después de que el material elastomérico se cura, no se deslamina del filamento de plástico, a diferencia del platino recubierto de un filamento de tantalio.
El material de carbono en el compuesto de carbono se selecciona para obtener características eléctricas mejoradas. Por ejemplo, como ya se ha comentado brevemente, el carbono elemental tiene una resistencia eléctrica demasiado alta para ser utilizado eficazmente en un electrodo de trabajo. Sin embargo, con la adición de grafeno, grafito diamagnético o carbono pirolítico, el compuesto de carbono se puede formular para que tenga características eléctricas ventajosas. De hecho, la carga del material de carbono con el material elastomérico se puede ajustar para crear un compuesto de carbono con una resistencia deseada, por ejemplo, 100 ohmios/cm2 o menos. De esta manera, se puede utilizar un electrodo de trabajo que utilice un recubrimiento de compuesto de carbono de tal manera que el sistema de detección tenga una relación señal-ruido altamente deseable. El carbono elemental no sería capaz de permitir tal relación señal-ruido debido al alto fondo eléctrico resultante de la alta resistencia de los electrodos de carbono.
Opcionalmente, se puede agregar un catalizador o material adicional al compuesto de carbono en la etapa 526 para mejorar las características eléctricas o de detección. Por ejemplo, se pueden añadirse óxidos metálicos al compuesto de carbono para reducir la resistividad, permitiendo así un electrodo de trabajo con una mayor capacidad de relación señal/ruido en comparación con el carbono elemental. Por ejemplo, en algunas realizaciones se pueden utilizar óxidos metálicos de níquel o cobre. En algunas realizaciones, los óxidos metálicos de Rh e Ir, cuando se agregan al compuesto de carbono, puede permitir que el filamento de trabajo funcione con una tensión de polarización más baja en comparación con un filamento formado con platino. Al operar con un voltaje de polarización más bajo, se permite que un filamento de trabajo funcione con mayor sensibilidad y con un menor consumo de energía.
En otro ejemplo de un aditivo en la etapa 526, se puede agregar un catalizador para peróxido de hidrógeno al compuesto de carbono. En un ejemplo, se añade ftalocianina o azul de Prusia al compuesto de carbono, aumentando así sustancialmente la sensibilidad del filamento de trabajo al peróxido de hidrógeno, lo que resulta muy ventajoso para la precisión y sensibilidad generales para un sensor de monitor de glucosa. Se entenderá que pueden utilizarse otros catalizadores de peróxido de hidrógeno. Asimismo, para los filamentos de trabajo destinados a la detección biológica distinta de la glucosa, se entenderá que pueden utilizarse otras moléculas detectoras y catalizadores moleculares.
A continuación, el revestimiento puede aplicarse al sustrato de filamento de plástico en la etapa 527. Como el compuesto de carbono es económico y fácil de trabajar, el sustrato de plástico puede sumergirse en el compuesto de carbono. Para otras aplicaciones, el compuesto de carbono puede pulverizarse sobre el filamento de plástico, puede depositarse mediante procesos de deposición bien conocidos, coextrusión, o puede aplicarse mediante un proceso de impresión, como la tampografía. También podría fabricarse mediante impresión 3-D. Se entenderá que puede utilizarse cualquier proceso de aplicación apropiado para recubrir o depositar el compuesto de carbono sobre el sustrato de plástico. Luego, el recubrimiento de compuesto de carbono se cura antes del procesamiento posterior.
Una vez que el filamento de trabajo recubierto de carbono se ha curado, puede ser procesado en un electrodo de trabajo en la etapa 528. De este modo, pueden añadirse membranas y revestimientos protectores, y el filamento de trabajo se asocia a uno o varios electrodos de referencia o contraelectrodos. Los procesos de adición de membranas, revestimientos protectores y asociación con otros electrodos son bien conocidos, por lo que no se describirán en el presente documento. Por ejemplo, los electrodos de trabajo y los electrodos de referencia pueden colocarse uno al lado del otro, en capas, de forma concéntrica o envueltos. También se entenderá que algunas aplicaciones utilizarán múltiples electrodos de trabajo, múltiples electrodos de referencia o contraelectrodos.
Debido a la naturaleza acuosa del compuesto que contiene carbono, las enzimas u otras moléculas de detección y químicas podrían incluirse directamente en el compuesto que contiene carbono, mejorando la eficiencia de la transferencia de electrones y mejorando aún más la relación señal-ruido al eliminar capas y distancias difusionales adicionales. Esta incorporación de enzimas y otras sustancias químicas de detección en el propio filamento del sensor también simplificaría aún más la fabricación de estos sensores.
Haciendo referencia ahora a la FIG. 6, se ilustra un sensor de un solo filamento 600 del estado de la técnica para un monitor biológico continuo. Los expertos en la materia reconocerán que el sensor 600 es un diagrama de alto nivel con fines meramente instructivos, y que se han omitido detalles sustanciales para facilitar una mejor comprensión. Como se entiende, dicho sensor de la técnica anterior integrará tanto la función de un electrodo de trabajo como una función de un electrodo de referencia en un solo filamento. Se entenderá que un solo electrodo de filamento puede construirse con múltiples capas de electrodo de trabajo y con múltiples capas de electrodo de referencia. Un electrodo de un solo filamento también puede utilizar o complementarse con un contraelectrodo. Aunque el sensor 600 se ilustra como un filamento con capas formadas concéntricamente, se entenderá que se pueden utilizar otras implementaciones físicas, tales como capas, espirales, planas y otras relaciones físicas bien conocidas.
El sensor 600 de la técnica anterior tiene un filamento conductor alargado 605, que a menudo está hecho de platino sólido o un revestimiento de platino sobre un sustrato de metal o plástico menos costoso. Se apreciará que se pueden sustituir otros tipos de filamentos conductores. El filamento conductor 605 está envuelto con una capa eléctricamente aislante 614a. Durante la fabricación se retira una banda 618 de la capa aislante 614a que expone una porción 617 del filamento de platino, que permanece sin aislar. La eliminación de esta banda 618 debe realizarse con mucha precisión y exactitud, ya que esto afecta la sensibilidad eléctrica general del sensor 600. Por ejemplo, esta banda 618 puede tener un espesor del orden de 20 pm y debe cortarse a aproximadamente 40 pm, aunque se pueden utilizar otros espesores y anchos dependiendo de la estructura general del sensor 600.
Una capa 611 de plata o cloruro de plata se coloca alrededor de la capa eléctricamente aislante 614, y una segunda capa de material eléctricamente aislante 614b se dispone alrededor de la capa de plata/cloruro de plata 611. Durante la fabricación, es necesario exponer una porción 621 de la capa de plata/cloruro de plata 611. Normalmente, esto requiere la eliminación precisa de una pequeña porción de la capa 614b utilizando, por ejemplo, un proceso de ablación láser. También se puede utilizar un segundo proceso de extracción en el extremo de conexión del sensor 600 para exponer una pequeña porción de la capa de plata/cloruro de plata 611 de modo que se pueda realizar una conexión eléctrica más conveniente. La eliminación de las capas aislantes de la capa de plata/cloruro de plata 611 es una operación de precisión, ya que la capa puede tener un espesor del orden de sólo 20 pm. Esta costosa operación de extracción agrega un coste sustancial y un riesgo de fabricación al fabricar el sensor 603 de filamento único.
En funcionamiento, la membrana limitante de glucosa 607 limita sustancialmente la cantidad de glucosa que puede llegar a la membrana enzimática 608. Al limitar la cantidad de glucosa que puede llegar a la membrana enzimática 608, se mejora la linealidad de la respuesta general. La membrana limitante de glucosa 607 también permite que el oxígeno viaje a la membrana enzimática 608. Los procesos químicos clave para la detección de glucosa ocurren dentro de la membrana enzimática 608. Normalmente, la membrana enzimática 608 tiene una o más enzimas glucosa oxidasa (GOx) dispersas dentro de la membrana enzimática 608. Cuando una molécula de glucosa y una molécula de oxígeno (O2) se combinan en presencia de la glucosa oxidasa, se forma una molécula de gluconato y una molécula de peróxido de hidrógeno (H2O2). Luego, el peróxido de hidrógeno generalmente se dispersa tanto dentro de la membrana enzimática 608 como en la capa conductora de iones 609.
Al menos una parte del peróxido de hidrógeno viaja a la ventana (banda 618) en la capa eléctricamente aislante 614a, donde entra en contacto con la porción expuesta 617 del filamento de platino 605. La superficie de platino facilita una reacción en donde el peróxido de hidrógeno reacciona para producir agua e iones de hidrógeno que se liberan en la capa conductora de iones 609 y se generan dos electrones. Los electrones son atraídos hacia el filamento de platino 605 mediante un voltaje de polarización colocado a través del filamento de platino 605 y la capa de plata/cloruro de plata 611. Los iones positivos de la capa de plata/cloruro de plata 611 se liberan en la capa conductora de iones 609 para completar el circuito eléctrico. De esta manera, se pretende relacionar la magnitud de la corriente eléctrica en el filamento de platino con el número de reacciones de peróxido de hidrógeno, que a su vez se pretende relacionar con el número de moléculas de glucosa oxidadas. De esta manera se pretende asociar una medición de la corriente eléctrica en el filamento de platino con un nivel particular de glucosa en la sangre o en el ISF del paciente.
Desafortunadamente, dado que la superficie de platino (porción 617) ha quedado expuesta durante el proceso de fabricación, se ha formado una capa de oxidación en la ventana 618. Esta capa de oxidación envenena el electrodo e interfiere con la eficiencia del platino expuesto en la conversión del peróxido de hidrógeno. Es decir, el área expuesta útil real de la porción expuesta 617 del filamento de platino se reduce sustancialmente por la contaminación por oxidación, lo que también puede conducir a resultados de sensibilidad impredecibles e indeseables. Para superar esta deficiencia, el sensor de filamento único 603 debe someterse a una calibración sofisticada. Además, el voltaje de polarización entre el filamento de platino 605 y la capa de plata/cloruro de plata 611 debe establecerse relativamente alto, por ejemplo entre 0,4 y 1,0 V. Se requiere un voltaje de polarización tan alto para atraer los electrones hacia el cable de platino, pero también actúa para atraer contaminantes de la sangre o el ISF hacia el sensor. Estos contaminantes, como el acetaminofeno y el ácido úrico, interfieren con las reacciones químicas, lo que produce lecturas de niveles de glucosa falsas y engañosas. El sensor de filamento único 603 también es costoso de fabricar, debido en parte a la ablación láser precisa necesaria para exponer la banda 618 en el filamento de platino 605, así como para exponer la pequeña porción 621 de la capa de plata/cloruro de plata 611.
Las realizaciones de la presente divulgación están dirigidas a un sensor rentable para su uso en un sistema de monitoreo biológico continuo. Las realizaciones prevén una reducción sustancial en el coste de fabricación del electrodo de trabajo para dicho sensor biológico. Aunque las realizaciones se analizan principalmente para su uso en el monitoreo continuo de glucosa, se entenderá que existen muchos otros usos para sensores biológicos que se beneficiarían de un sensor de costo reducido y electrodos de trabajo con funcionalidad mejorada.
Generalmente, un sensor para un sistema de monitoreo biológico continuo se construye como un sensor biológico continuo de dos filamentos que tiene un electrodo de trabajo y un electrodo de referencia. El electrodo de trabajo y el electrodo de referencia están construidos y dispuestos de manera que puedan detectar la concentración de un analito en un paciente, a menudo midiendo la concentración de moléculas, como la glucosa, dentro de la sangre u otro fluido corporal, como el ISF. Se entenderá que un sensor puede incluir múltiples filamentos de trabajo, múltiples electrodos de referencia y contraelectrodos.
Capa de interferencia
Haciendo referencia ahora a la FIG. 7A, se ilustra en general un sensor 700 para un monitor biológico continuo. El sensor 700 tiene un electrodo de trabajo 703 que coopera con un electrodo de referencia 705 para proporcionar una reacción electroquímica que puede usarse para determinar los niveles de glucosa en la sangre o el ISF de un paciente. Aunque el sensor de electrodo 700 se ilustra con un electrodo de trabajo 703 y un electrodo de referencia 705, se entenderá que algunos sensores alternativos pueden utilizar múltiples electrodos de trabajo, múltiples electrodos de referencia y contraelectrodos. También se entenderá que el sensor 700 puede tener diferentes relaciones físicas entre el electrodo de trabajo 703 y el electrodo de referencia 705. Por ejemplo, el electrodo de trabajo 703 y el electrodo de referencia 705 pueden estar dispuestos en capas, en espiral, dispuestos concéntricamente o uno al lado del otro. Se entenderá que muchas otras disposiciones físicas pueden ser coherentes con las divulgaciones del presente documento.
El electrodo de trabajo 703 tiene una porción conductora, que se ilustra para el sensor 700 como filamento conductor 710. Este filamento conductor 710 puede ser, por ejemplo, platino sólido, un recubrimiento de platino sobre un metal o plástico menos costoso o, como se describió anteriormente, el filamento conductor 710 puede ser un recubrimiento de compuesto de carbono sobre un sustrato de plástico. Se entenderá que se pueden utilizar otros conductores de electrones según esta divulgación. Al igual que con los electrodos de trabajo de la técnica anterior, el electrodo de trabajo 703 tiene una capa de glucosa limitante 707, que puede usarse para limitar las contaminaciones y la cantidad de glucosa que se recibe en la membrana enzimática 708.
En funcionamiento, la capa limitante de glucosa 707 limita sustancialmente la cantidad de glucosa que puede llegar a la membrana enzimática 708, por ejemplo, permitiendo que solo pase aproximadamente 1 de 1000 moléculas de glucosa. Al limitar estrictamente la cantidad de glucosa que puede llegar a la membrana enzimática 708, se mejora la linealidad de la respuesta general. La membrana limitante de glucosa 707 también permite que el oxígeno viaje a la membrana enzimática 708. Los procesos químicos clave para la detección de glucosa ocurren dentro de la membrana enzimática 708. Normalmente, la membrana enzimática 708 tiene una o más enzimas glucosa oxidasa (GOx) dispersas dentro de la membrana enzimática 708. Cuando una molécula de glucosa y una molécula de oxígeno (O2) se combinan en presencia de la glucosa oxidasa, se forma una molécula de gluconato y una molécula de peróxido de hidrógeno. Luego, el peróxido de hidrógeno generalmente se dispersa tanto dentro de la membrana enzimática 708 como en la membrana de interferencia 709.
La membrana de interferencia 709 está dispuesta en capas entre el filamento conductor eléctrico 710 y la membrana enzimática 708 en el electrodo de trabajo 703. Como se discutirá con más detalle a continuación, la membrana de interferencia 709 puede formularse de manera única para tener una regulación más precisa, en comparación con las capas aislantes convencionales (por ejemplo, las capas 614a/b con la capa de Ag/AgCl 611 de la FIG. 6), del nivel de moléculas de peróxido de hidrógeno que pueden pasar desde la capa de membrana enzimática 708 a un área de superficie más expansiva del filamento conductor 710. Esta membrana de interferencia 709 puede electrodepositarse sobre el filamento conductor eléctrico 710 de una manera muy consistente y conforme, reduciendo así los costes de fabricación y proporcionando una formación de capas más controlable y repetible. La membrana de interferencia 709 no conduce electrones, pero dejará pasar iones negativos a una velocidad preseleccionada. Además, la membrana de interferencia 709 puede formularse para ser permeable a moléculas particulares. En un ejemplo, la membrana de interferencia 709 está formulada y depositada de manera que restrinja la etapa de moléculas más grandes, que pueden actuar como contaminantes para degradar la capa conductora 710, o que pueden interferir con los procesos de detección y transmisión eléctrica.
Ventajosamente, la membrana de interferencia 709 proporciona costes de fabricación reducidos en comparación con las capas de aislamiento conocidas, y puede regular con mayor precisión la etapa de moléculas de peróxido de hidrógeno a una amplia área de superficie de la capa conductora subyacente 710. Además, la formulación de la membrana de interferencia 709 se puede personalizar para permitir restringir o denegar la etapa de ciertas moléculas a las capas subyacentes, por ejemplo, restringir o denegar la etapa de moléculas grandes o de moléculas objetivo particulares.
La membrana de interferencia 709 es un revestimiento sólido que rodea el filamento de platino 710. De esta manera, se evita el gasto y la incertidumbre que supone dotar una ventana de una capa aislante. En consecuencia, la membrana de interferencia 709 puede recubrirse o depositarse con precisión sobre el filamento de platino 710 de una manera que tenga un paso predecible y consistente de peróxido de hidrógeno. Además, el área de interacción permitida entre el peróxido de hidrógeno y la superficie del filamento de platino 710 aumenta drásticamente, ya que la interacción puede ocurrir en cualquier lugar a lo largo del filamento de platino 710. De esta manera, la membrana de interferencia 709 permite un mayor nivel de interacción entre las moléculas de peróxido de hidrógeno en la superficie del filamento de platino 710, de modo que la producción de electrones se amplifica sustancialmente con respecto a los electrodos de trabajo de la técnica anterior. De esta manera, la membrana de interferencia permite que el sensor funcione con una corriente de electrones más alta, lo que reduce la susceptibilidad del sensor al ruido y a la interferencia de contaminantes y permite además el uso de electrónica menos sofisticada y menos precisa en la carcasa. En un ejemplo no limitativo, la capacidad de operar con un flujo de electrones más alto permite que la electrónica del sensor utilice más amplificadores operacionales (op-amp) estándar, en lugar de los caros amplificadores coperacionales de precisión requeridos para los sistemas de sensores de la técnica anterior. La relación señal/ruido mejorada resultante permite un filtrado simplificado, así como una calibración optimizada.
Además, durante el proceso de fabricación es posible eliminar la oxidación en las superficies externas del filamento de platino 710 antes de depositar la membrana de interferencia 709. Dado que la membrana de interferencia 709 actúa para sellar el cable de platino 710, el nivel de oxidación se puede reducir drásticamente, lo que nuevamente permite una mayor superficie de interacción y una mayor amplificación de la señal de glucosa, lo que da como resultado un mayor flujo de electrones y permite una mayor relación señal/ruido. De esta manera, la nueva capa de interferencia evita la contaminación de la interfaz eléctrica del platino eliminando efectos oxidativos indeseables.
En algunas realizaciones, la membrana de interferencia 709 no es conductora de electrones, pero es conductora de iones. En la práctica, se puede construir una membrana de interferencia particularmente eficaz utilizando, por ejemplo, poli-orto-aminofenol (PoAP). El PoAP se puede depositar sobre el filamento de platino 710 utilizando un proceso de electrodeposición, con un espesor que se puede controlar con precisión para permitir que un nivel predecible de peróxido de hidrógeno pase a través de la membrana de interferencia 709 hasta el electrodo de platino 710. Además, el nivel de pH del PoAP se puede ajustar para establecer una permeabilidad selectiva deseable para la membrana de interferencia 709. Por ejemplo, el pH se puede ajustar ventajosamente para bloquear significativamente la etapa de moléculas más grandes como el acetaminofeno, reduciendo así los contaminantes que pueden llegar al filamento de platino 710. Se entenderá que se pueden utilizar otros materiales, por ejemplo, polianilina, naftol o polietilendiamina.
El sensor 700 también tiene un electrodo de referencia 705 separado del electrodo de trabajo 703. De esta manera, la fabricación del electrodo de trabajo se simplifica y puede realizarse con una consistencia que contribuye a mejorar drásticamente la estabilidad y el rendimiento. El electrodo de referencia 705 está construido de plata o cloruro de plata 714.
Haciendo referencia ahora a la FIG. 7B, se ilustra otro sensor 701 para un monitor biológico continuo. El sensor 701 es similar al sensor 700, por lo que no se describirá en detalle. El sensor 701 tiene el mismo electrodo de trabajo 703 que el descrito con referencia al sensor 700. Sin embargo, el sensor 701 tiene un filamento de referencia 725 que tiene una capa de plata/cloruro de plata 726 rodeada por una membrana limitadora de iones 728. La aplicación de esta membrana limitadora de iones 728 sobre la capa de plata/cloruro de plata 726 controla deseablemente la sensibilidad a la corriente del dispositivo sensor global 701 controlando el flujo de iones desde la capa de plata/cloruro de plata 726. De esta manera se puede controlar y definir de forma ventajosa la sensibilidad de la corriente. Como se comprenderá, esto también puede actuar como un método secundario para controlar la sensibilidad del sensor mediante el control de la liberación de cloruro de la superficie del electrodo.
Haciendo referencia ahora a la FIG. 8, se ilustra una descripción general de un proceso 800 para formular y aplicar la membrana de interferencia. Como se muestra en la etapa 802, se proporciona un sustrato conductor. Este sustrato conductor puede tener la forma de un filamento alargado, pero se apreciará que el sustrato conductor puede proporcionarse de otras formas, como impreso o en forma de almohadillas conductoras. En algunas realizaciones, el sustrato conductor es un filamento de platino sólido, un filamento menos costoso que ha sido recubierto con platino o, como se describe en este documento, el sustrato conductor puede ser un compuesto de carbono conductor recubierto sobre un sustrato de plástico. Se apreciará que se pueden utilizar otros sustratos conductores.
Como se muestra en la etapa 804, ahora se prepara el compuesto de membrana de interferencia. Este compuesto está formulado para ser 1) no conductor eléctrico; 2) paso de iones; y 3) permoselectivo. Además, el compuesto está especialmente formulado para ser electrodepositado en una capa fina y uniforme, y que tiene un espesor que es autolimitante debido a la naturaleza de la reticulación accionada eléctricamente. De esta manera, el compuesto puede aplicarse de una manera que proporcione una regulación bien controlada de la etapa de moléculas de peróxido de hidrógeno utilizando procesos de fabricación simples y rentables. Además, la etapa del peróxido de hidrógeno puede ocurrir sobre una superficie mucho más grande en comparación con los filamentos de trabajo de la técnica anterior.
Generalmente, las características de las presentes membranas de interferencia identificadas anteriormente se pueden formular mezclando un monómero con un tampón ligeramente básico y convirtiendo el monómero en un polímero más estable y utilizable mediante la aplicación de un proceso de electropolimerización. En una formulación:
a) Monómero: por ejemplo, 2-aminofenol, 3-aminofenol, 4-aminofenol, anilina, naftol, fenilendiamina o mezclas de los mismos.
b) Tampón: por ejemplo, solución salina tamponada con fosfato (PBS) ajustada a un pH comprendido entre 7,5 y 10, por ejemplo entre 7,5 y 9, por ejemplo 8, añadiendo hidróxido de sodio.
c) Mezclar el monómero y el tampón y electropolimerizar.
d) Crear un polímero; por ejemplo, poli-orto-aminofenol (PoAP).
En la formulación particular expuesta anteriormente, el monómero de 2-aminofenol se mezcla con un tampón PBS ligeramente básico a un pH de 8. El pH del tampón PBS se ajusta utilizando un aditivo, como el hidróxido de sodio. Se entenderá que el pH puede ajustarse para crear formulaciones alternativas consistentes con esta divulgación. Por ejemplo, el pH del compuesto se puede ajustar de tal manera que se pueda modificar la permeabilidad selectiva del PoAP resultante. Más concretamente, el PoAp puede formularse para tener un peso molecular de corte definido. Es decir, ajustando el pH de la formulación, el PoAP puede modificarse para restringir sustancialmente el paso de moléculas que tengan un peso molecular superior al peso molecular de corte. En consecuencia, el PoAP se puede modificar según el peso molecular de los contaminantes que se desea restringir que lleguen al filamento de platino. También se entenderá que se pueden seleccionar otros monómeros, y estos monómeros alternativos pueden proporcionar las características funcionales deseadas a un pH diferente. La mezcla de 2-aminofenol y PBS se electropolimeriza en poli-orto-aminofenol (PoAP).
Opcionalmente, los óxidos o capas de óxido se pueden eliminar de la superficie del sustrato de platino conductor como se ilustra en el bloque 805. Como se ha descrito anteriormente, estos óxidos o capas de óxidos restringen drásticamente la superficie disponible para que el peróxido de hidrógeno reaccione con el platino. Eliminando estos óxidos o capas de óxido, por ejemplo mediante grabado químico o pulido físico, puede obtenerse un filamento de platino menos contaminado para el revestimiento. De este modo, la superficie de platino disponible para la interacción con el peróxido de hidrógeno aumenta drásticamente, incrementando así la sensibilidad eléctrica global del sensor.
Luego se aplica el compuesto de interferencia al sustrato conductor como se muestra en el bloque 807. En una aplicación particular, el compuesto de interferencia se electrodeposita sobre el sustrato conductor, que deposita el compuesto en una capa fina y uniforme. Además, el proceso de electrodeposición facilita una reticulación química de los polímeros a medida que se deposita el PoAP. Se entenderá que se pueden utilizar otros procesos para aplicar el polímero al sustrato conductor.
Como se describió anteriormente, la membrana de interferencia tiene un compuesto que es autolimitante en espesor. El espesor total permitido para la membrana se puede ajustar según la relación entre el monómero y el tampón, así como de las características eléctricas particulares utilizadas para el proceso de electropolimerización. Además, la membrana de interferencia puede formularse para una característica permoselectivo particular ajustando el pH. También se entenderá que puede utilizarse un proceso de voltamperometría cíclica (CV) para electrodepositar el compuesto de la membrana de interferencia, como PoAP. Un proceso de CV se define generalmente por tener (1) una ventana de exploración que tiene un límite de tensión inferior y un límite de tensión superior, (2) un punto de partida y una dirección dentro de esa ventana de exploración, (3) un tiempo transcurrido para cada ciclo, y (4) el número de ciclos completados. Se entenderá por un experto en la materia que estos cuatro factores pueden proporcionar alternativas casi infinitas en la aplicación precisa del compuesto de membrana de interferencia. En un ejemplo, se ha comprobado que los siguientes rangos son eficaces para que el proceso de CV aplique el PoAP:
Ventana de escaneo: -1,0 V a 2,0 V
Punto de partida: -0,5 V a 0,5 VV
Tasa: ciclos x-y por minuto
Ciclos 5-50
Como se ilustra en la etapa 811, luego se aplica la capa de enzima, que incluye la glucosa oxidasa, y luego se aplica una capa limitante de glucosa como se muestra en 818. Esta capa limitante de glucosa, como se discutió anteriormente, es útil para limitar la cantidad de moléculas de glucosa que pueden pasar a la capa enzimática.
Finalmente, como se ilustra en el bloque 821, se puede aplicar un aislante al filamento de referencia. En muchos casos, el filamento de referencia será un filamento de plata/óxido de plata, y el aislante será una capa limitadora de iones que no conduce electrones.
Capa limitante de glucosa
Haciendo referencia ahora a la FIG. 9A, se ilustra un sensor 900 para su uso con un monitor biológico continuo. El sensor 900 tiene un electrodo de trabajo 903 y un electrodo de referencia 905. El electrodo de referencia de plata/cloruro de plata 914, la capa conductora 910, la membrana de interferencia 909, y la capa enzimática 908 son similares a los discutidos previamente con referencia al sensor 700, por lo que no se discutirán en detalle. Se entenderá que existen varias alternativas para estas capas coherentes con esta divulgación.
El sensor 900 tiene una capa de membrana limitante de glucosa 907. Como se describirá, la membrana limitante de glucosa 907 puede fabricarse utilizando técnicas de fabricación sencillas y económicas, y proporciona una membrana limitante de glucosa más uniforme con una regulación más precisa para las moléculas de glucosa. De este modo, el nivel de moléculas de glucosa que se permite pasar a la capa enzimática puede definirse y controlarse de forma más precisa y uniforme, y los cálculos y resultados obtenidos pueden ser más lineales y precisos. La membrana limitante de glucosa 907 está construida para proporcionar una capa delgada conformada de un material físicamente reticulado que es fácil de desechar y que proporciona resultados excepcionales de uniformidad, control de moléculas de glucosa y linealidad. En un ejemplo específico, el material físicamente reticulado utiliza enlaces de hidrógeno. Es importante destacar que la capa limitante de glucosa no depende de la reticulación química.
Aunque la presente capa limitante de glucosa 907 se ilustra con el sensor 900, se apreciará que la capa limitante de glucosa 907 también puede utilizarse ventajosamente en otros sensores, como el sensor 600 de la técnica anterior. Se apreciará que la presente capa limitante de glucosa puede usarse ampliamente en otros tipos de sensores biológicos.
Tal como se formula en la FIG. 9A, la capa limitante de glucosa 907 puede formularse para proporcionar una capa uniforme que pase de manera más uniforme y precisa las moléculas de glucosa a la capa enzimática 908 que las capas limitantes de glucosa típicas del estado de la técnica, lo que resulta en una generación más estable, consistente y precisa de electrones libres. Como el sensor 900 hace pasar la glucosa y genera electrones de forma más uniforme, el sensor es más preciso, tiene menos sensibilidad al ruido, es más estable y se calibra más fácilmente.
Haciendo referencia ahora a la FIG. 9B, se ilustra otro sensor 901 para un monitor biológico continuo. El sensor 901 es similar al sensor 900, por lo que no se describirá en detalle. El sensor 901 tiene el mismo electrodo de trabajo 903 que el descrito con referencia al sensor 900. Sin embargo, el sensor 901 tiene un cable de referencia 925 que tiene una capa de plata/cloruro de plata 926 rodeada por una membrana limitadora de iones 928. La aplicación de esta membrana limitadora de iones 928 sobre la capa de plata/cloruro de plata 926 controla deseablemente la sensibilidad a la corriente del dispositivo sensor global 901 controlando el flujo de iones desde la capa de plata/cloruro de plata. De esta manera se puede controlar y definir de forma ventajosa la sensibilidad de la corriente.
Haciendo referencia ahora a la FIG. 10, se describe en general un proceso 1000 para crear una capa limitadora de glucosa. Antes de proporcionar detalles y ejemplos, se describe el proceso en general. En primer lugar, se selecciona un material de unión hidrófilo como se muestra en la etapa 1002. Además, se selecciona un material de unión hidrófobo como se muestra en la etapa 1004, y se selecciona un solvente como se ilustra en la etapa 1007. El material de unión hidrófilo, el material de unión hidrófobo y el solvente se mezclan juntos en una proporción deseada, lo que da como resultado un gel de unión como se ilustra en la etapa 1011. Este gel adhesivo se puede aplicar luego sobre la capa de enzima 1018 en el filamento de trabajo. Luego, el gel se cura para formar estructuras unidas por hidrógeno fuertes y resistentes, como se ilustra en 1021. Se entenderá que se pueden utilizar otros materiales y que se pueden formar otros tipos de reticulación física.
Al seleccionar el material de unión hidrófilo 1002, es deseable identificar un material de unión hidrófilo que tenga un peso molecular relativamente alto, por ejemplo de 1 a 5 millones. Se ha descubierto que el material de unión hidrófilo con un peso molecular de 1 a 3 millones es particularmente eficaz. Tal y como se entiende, el peso molecular de un polímero es la suma de los pesos atómicos de todos los átomos de la molécula. Por consiguiente, el material de unión hidrófilo seleccionado suele ser un polímero significativamente grande. Además, el material de unión hidrófilo se selecciona para que sea fácilmente dispensable en procesos de fabricación estándar, y para que tenga la capacidad de formar fuertes enlaces de hidrógeno. Aunque en algunas realizaciones el material de enlace hidrófilo tiene un peso molecular relativamente alto, es fácilmente dispensable y tiene una fuerte capacidad de enlaces de hidrógeno, se entenderá que otras características pueden llegar a ser importantes dependiendo de la aplicación específica. Por ejemplo, se puede utilizar alcohol polivinílico, ácido poliacrílico o polivinilpirrolidona (PVP) como material de unión hidrófilo para la capa limitante de glucosa. En un ejemplo específico, la PVP, en su forma de grado farmacéutico, tiene un peso molecular de aproximadamente 1,3 millones. Se entenderá que se pueden encontrar otros polímeros con características similares u otras deseables.
Luego se selecciona el material de enlace hidrofóbico 1004. En particular, el material hidrófobo se selecciona en función de una biocompatibilidad deseable, así como de una relación entre segmentos duros y blandos. Generalmente, los materiales hidrófobos están formados por segmentos de pequeños monómeros que se reticulan para formar secciones poliméricas mucho mayores. Una mayor proporción de segmentos blandos permite que el material de enlace hidrófobo tenga un mayor grado de interacción con el disolvente y el material de enlace hidrófilo; sin embargo, la mayor proporción de segmentos blandos también disminuye la característica hidrófoba del material, ya que los segmentos pequeños tienden a ser hidrófilos. En cuanto a los segmentos duros, una mayor proporción de segmentos duros proporciona una característica física más fuerte, que a menudo se mide como dureza Shore utilizando un durómetro. De este modo, puede seleccionarse un material hidrófobo que tenga un nivel adecuado de interacción con el disolvente y los materiales hidrófilos, además de tener la dureza suficiente para actuar eficazmente como revestimiento protector. En algunas realizaciones, el poliuretano puede utilizarse como material de unión hidrófobo, con las características deseadas de proporcionar una dureza suficiente, así como una interacción deseable con el material de unión hidrófilo (por ejemplo, PVP) y el disolvente seleccionado. Además, también se pueden utilizar siliconas como material de unión hidrófobo. También se apreciará que se pueden seleccionar otros tipos de materiales de unión hidrófobos según las necesidades específicas de la aplicación.
El tercer material en la etapa 1007 es el disolvente. Generalmente, se selecciona un disolvente que sea polar, binario y suficientemente volátil para las necesidades de curado. En primer lugar, el disolvente debe tener características polares suficientemente fuertes para ayudar a alinear correctamente los materiales de enlace hidrófilos e hidrófobos. En segundo lugar, como el disolvente debe disolver tanto el material hidrófilo como el hidrófobo, el disolvente debe seleccionarse para que tenga características de disolución ventajosas para cada uno de los materiales de unión seleccionados. Se entenderá que hay disolventes trinarios que pueden sustituirse. Por último, la volatilidad del disolvente debe seleccionarse de modo que permita obtener las características de curado deseadas. Por ejemplo, es posible que algunas aplicaciones deban completarse en un corto período de tiempo, lo que requiere un solvente de evaporación rápida. En otros casos, pueden sustituirse por disolventes menos volátiles. En un ejemplo, una mezcla de un compuesto orgánico pesado con un alcohol puede proporcionar un disolvente deseable para la capa limitante de glucosa. En un ejemplo específico, el compuesto orgánico pesado puede ser tetrahidrofurano (THF) o dimetilformamida (DMF), y el alcohol puede ser etanol. Se entenderá que se pueden utilizar otros compuestos que puedan proporcionar las características deseables del disolvente.
El material de unión hidrófilo, el material de unión hidrófobo y el solvente se mezclan juntos para formar un gel de unión en la etapa 1011. La viscosidad del gel adhesivo puede ajustarse modificando la proporción entre el disolvente y los materiales adhesivos. Luego, el gel adhesivo se puede aplicar sobre la capa de enzima en la etapa 1018. El gel adhesivo es fácil de trabajar y se puede sumergir, pulverizar, depositar o tampografiar mediante diversos procesos de fabricación. A continuación, el gel adhesivo se cura en el paso 1021, que puede realizarse en aire ambiente, mediante calor añadido o mediante vacío añadido. Se entenderá que se pueden utilizar otros procesos para acelerar o retardar el proceso de curado. A medida que el material de unión se cura, los enlaces hidrófobos e hidrófilos se reticulan físicamente y, en particular, forman enlaces de hidrógeno. La capa de hidrógeno resultante permite un paso uniforme y homogéneo de las moléculas de glucosa en comparación con las capas anteriores unidas químicamente.
Capa enzimática
Como se explicó con referencia a los sensores 600, 700 y 900, el cable de trabajo para cada sensor tiene una capa de enzima respectiva 608, 708 y 908. Como es bien sabido, la capa enzimática facilita una interacción química entre la glucosa y la glucosa oxidasa (GOx), que genera peróxido de hidrógeno (H2O2). El peróxido de hidrógeno reacciona además con un sustrato conductor de platino, que genera una corriente de electrones libres que se puede medir, siendo el nivel medido de corriente proporcional al nivel de glucosa en el torrente sanguíneo o en otro fluido corporal, como el ISF. Para fabricar una membrana útil para un sensor de glucosa, GOx a menudo se estabiliza con glutaraldehído, imidoésteres (adipimidato de dimetilo, suberimidato de dimetilo), hidroxisuccinimida y sus derivados. Normalmente, se mezcla una formulación de aproximadamente 0,6 % de glutaraldehído con el GOx y luego la mezcla se aplica al filamento de trabajo. Se entenderá que se pueden utilizar otras proporciones y que puede haber otros aditivos en la mezcla. Es bien sabido que la poliaziridina también puede utilizarse como estabilizador de GOx, pero presenta desventajas similares a las del glutaraldehído.
Desafortunadamente, incluso con una mezcla adecuada, el GOx no se dispersa uniformemente dentro del glutaraldehído, dejando porciones de la capa de enzima con una mayor concentración de GOx y porciones con una menor concentración de GOx. Esta distribución desigual de GOx provoca una interacción no uniforme entre la glucosa y GOx, lo que conduce a una generación desigual de peróxido de hidrógeno. Es decir, dado un nivel constante de glucosa, diferentes porciones de la capa enzimática generarán más o menos moléculas de peróxido de hidrógeno, lo que dará como resultado más o menos electrones libres. De este modo, el nivel de glucosa medido puede variar en función del lugar de la capa enzimática donde la molécula de glucosa se posa y reacciona. Esta incertidumbre y variabilidad debido a la dispersión desigual de GOx puede dar lugar a una lectura errónea del nivel de azúcar en sangre.
Además, el GOx comercial se deriva de fuentes bacterianas o fúngicas y, como tal, se sabe que es citotóxico, es decir, dañino para las células. Incluso cuando el GOx se estabiliza con glutaraldehído, parte del GOx puede moverse dentro de la capa y filtrarse de la capa enzimática al cuerpo del sujeto. Dado que ninguna de las capas protectoras conocidas para una capa enzimática puede atrapar completamente al GOx, existe el riesgo de que al menos parte del GOx quede expuesto a las células del sujeto.
Para abordar las deficiencias en el GOx estabilizado con glutaraldehído conocido, se proporcionan realizaciones de una capa enzimática que proporcionan un atrapamiento de GOx sustancialmente mejorado y una distribución uniforme. Como se muestra en la FIG. 11, la capa de enzima se elabora utilizando un proceso 1100. Se prepara una emulsión acuosa de poliuretano como se muestra en la etapa 1103. Se entenderá que la cantidad de agua que se mezcla con el poliuretano puede ajustarse según los requisitos específicos de la aplicación. Aunque en la descripción de la FIG. 11 se utilizará poliuretano, se entenderá que se pueden sustituir otras emulsiones, tales como dispersiones acuosas de silicona. Como se ilustra en la etapa 1105, la emulsión acuosa de poliuretano se mezcla con una emulsión acuosa de poliol acrílico. El poliol acrílico actúa como un autorreticulante con el poliuretano para generar una estructura altamente estable y compacta que es capaz de atrapar completamente el GOx. La combinación de la emulsión de poliuretano de la etapa 1103 y la emulsión de poliol acrílico de la etapa 1105 genera una emulsión base en la etapa 1107. Dependiendo de los requisitos específicos de la aplicación, se puede ajustar la proporción de poliuretano a poliol acrílico; sin embargo, en un ejemplo se mezclan cantidades aproximadamente iguales de cada uno para formar la emulsión base en la etapa 1107. En algunas realizaciones, GOx se mezcla con el poliuretano en una proporción de aproximadamente 1 parte de GOx por 60 partes de poliuretano por volumen. Se entenderá que se pueden utilizar otras proporciones dependiendo de la aplicación particular. También se entenderá que si se deben probar otras funciones metabólicas además de los niveles de glucosa, se pueden utilizar otras enzimas.
Como se muestra en el bloque 1110, se pueden agregar otros aditivos opcionales. Por ejemplo, se pueden agregar uno o más hidrófilos a la mezcla de emulsión para facilitar una mejor mezcla o para proporcionar una viscosidad más apropiada para la aplicación. Los ejemplos de hidrófilos que pueden usarse en la formulación de la capa enzimática incluyen PVP, PEO y Si-PEO. Se entiende que Si-PEO incluye silanos y PDMS PEO. Se entenderá que se pueden utilizar otros hidrófilos. Aunque el poliol acrílico puede proporcionar una reticulación propia al curarse, pueden añadirse otros polímeros reticulantes para una reticulación adicional. Para GOx, dichos reticulantes pueden incluir, por ejemplo, glutaraldehído, imidoésteres, hidroxisuccinimida, carbodilita, melaminas, epoxis y poliaziridinas.
La mezcla de poliuretano/GOx se aplica al electrodo de trabajo en la etapa 1109, por ejemplo, mediante pulverización, inmersión, depósito o impresión, 1121. La mezcla se cura en la etapa 1125, momento en el que la capa se reticula para proporcionar una dispersión estable de GOx.
Ventajosamente, la mezcla de poliuretano/GOx, al ser una emulsión acuosa, es segura, fácil de manipular y aplicar, y proporciona una distribución uniforme de GOx. Además, como los polímeros reticulados están completamente estabilizados y atrapados dentro de la capa, GOx no puede moverse de la capa de enzima al cuerpo del sujeto, lo que elimina los problemas de seguridad. Además, como la mezcla de poliuretano/GOx es más estable que las capas enzimáticas de la técnica anterior, tiene una vida útil más larga y exhibe la capacidad de soportar una carga mayor. Con una mayor carga de GOx, la mezcla de poliuretano y GOx es más sensible y permite una mayor relación señal/ruido.
Sensores
Haciendo referencia ahora a la FIG. 12, se ilustra un sensor 1200 según algunas realizaciones. El sensor 1200 está construido con un electrodo de trabajo 1203 y un electrodo de referencia 1205. Como se describió anteriormente, el electrodo de referencia 1205 es típicamente cloruro de plata o plata 1214. El electrodo de trabajo 1203 tiene una capa de glucosa limitante 1207 como se describe con referencia a la FIG. 9A, FIG. 9B y FIG. 10. El electrodo de trabajo 1203 también tiene una capa enzimática 1208 en contacto con la capa limitadora de glucosa 1207 como se describe con referencia a la FIG. 11. La capa enzimática 1208 también está en contacto con una membrana de interferencia 1209 como se describe con referencia a las FIG. 7A, FIG.
7B y FIG. 8. La membrana de interferencia 1209 está soportada por el sustrato 1210, como se describe completamente en referencia a las FIGs. 4A-C y FIG. 5. Como se ilustra, el sustrato 1210 tiene una porción de sustrato plástico 1210b que tiene un recubrimiento de carbono 1210a, como se describe con referencia a las FIGs. 4A-C y FIG. 5. Se entenderá, como se ilustra, que el recubrimiento de carbono 1210a incluirá un catalizador para peróxido de hidrógeno tal como ftalocianina o azul de Prusia.
Ventajosamente, en comparación con sensores anteriores, el sensor 700 proporciona una señal eléctrica con una mayor relación señal-ruido, es menos costoso de fabricar y más seguro de llevar para el paciente.
Capa enzimática con generación directa de electrones o peróxidos
Haciendo referencia ahora a la FIG. 13A, se ilustra un sensor 1300. El sensor 1300 se ilustra como un sensor de dos filamentos que tiene un electrodo de trabajo 1303 y un electrodo de referencia 1305. Como se describió con los sensores anteriores, el electrodo de referencia 1305 es generalmente cloruro de plata o plata 1314. Se entenderá que la construcción del sensor 1300 puede ser cualquiera de las estructuras comunes para sensores de dos filamentos.
El filamento de trabajo 1303 tiene una capa de glucosa limitante 1307. La capa limitante de glucosa puede ser de una construcción conocida, pero como se ilustra, la capa limitante de glucosa 1307 es la capa limitante de glucosa descrita con referencia a las FIG. 9A y FIG. 9B. Como se ha descrito anteriormente, se proporciona una capa limitadora de glucosa para limitar y controlar el número de moléculas de glucosa que pueden pasar de la sangre de un paciente o ISF a la capa enzimática, mejorando así la linealidad de la respuesta global del sensor. La capa limitante de glucosa aún permite que el oxígeno viaje a la capa enzimática. Una membrana de interferencia 1309 puede colocarse debajo de la capa limitante de glucosa 1307. En un ejemplo, la membrana de interferencia 1309 es la membrana de interferencia descrita con referencia a las FIG. 7A y FIG. 7B. Como tal, la capa de interferencia 1309 es permoselectiva para rechazar el paso de moléculas más grandes. De este modo, las moléculas grandes, como el paracetamol u otros contaminantes, no pueden llegar a la capa enzimática.
El sensor 1300 tiene un sustrato de material plástico 1312, tal como un filamento de plástico. Este material de sustrato plástico se selecciona para que tenga suficiente resistencia para ser insertado bajo la piel de un paciente, así como flexibilidad para la comodidad del paciente y facilidad de fabricación. Además, se entenderá que el sustrato plástico debe ser biológicamente seguro y, en general, eléctricamente no reactivo. Se entenderá que una amplia gama de materiales cumple los requisitos mecánicos y funcionales del sustrato plástico seleccionado. Por ejemplo, se pueden utilizar numerosos polímeros orgánicos y termoplásticos. A título meramente ilustrativo, pueden utilizarse los siguientes materiales específicos de sustrato plástico: polietileno, polipropileno, poliestireno, cloruro de polivinilo y ácido poliláctico. Se apreciará que se puede utilizar una amplia variedad de materiales como sustrato plástico. Este sustrato de plástico se puede convertir en un filamento alargado de muchas formas para soportar la construcción de diferentes tipos de sensores. Generalmente, estos filamentos se formarían mediante procesos de extrusión bien conocidos.
El sustrato plástico 1312 soporta una capa de carbono-enzima 1310. Generalmente, la nueva capa de carbonoenzima 1310 se prepara como un recubrimiento que es una dispersión acuosa de materiales de carbono, un material elastomérico, reticulantes y GOx. Por ejemplo, el material de carbono puede estar en forma de grafito, grafeno, grafito diamagnético, carbono pirolítico, negro de carbono, pasta de carbono o tinta de carbono. En algunos casos, para apoyar aplicaciones particulares, pueden añadirse otros aditivos al compuesto de carbono para mejorar las características eléctricas y de respuesta.
Existen varios materiales elastoméricos aceptables que proporcionarían las características deseadas, por ejemplo: poliuretano, silicona, acrilatos o acrílicos. Se entenderá que se pueden sustituir otros materiales elastoméricos. Además, en algunas realizaciones el compuesto de carbono, una vez curado el material elastomérico, no se desprende del filamento de plástico, a diferencia del revestimiento de platino de un filamento de Tantalio. En un ejemplo, se selecciona una emulsión acuosa de poliuretano para mezclarla con una dispersión acuosa de poliol acrílico como reticulante. Se entenderá que se pueden utilizar reticulantes y otros aditivos alternativos o adicionales.
Como se describe con referencia al sensor 1300, se utiliza la enzima GOx, ya que el sensor 1300 está dirigido a detectar niveles de glucosa. Se entenderá que otras enzimas como la lactato deshidrogenasa (lactato), la hidroxibutirato deshidrogenasa (cetona) pueden utilizarse para otros sensores metabólicos. También se entenderá que si se utiliza una enzima distinta del GOx, pueden ser necesarias modificaciones adicionales en la selección y proporciones de los materiales de la capa de carbono-enzima.
El recubrimiento de carbono-enzima 1310 se aplica al sustrato plástico 1312 y se cura. A medida que la dispersión acuosa se endurece sobre el sustrato de plástico, se reticula formando un revestimiento flexible pero resistente para el sustrato, con el GOx uniformemente disperso y totalmente atrapado. Además, la combinación seleccionada de materiales de carbono proporciona propiedades estructurales, mecánicas y eléctricas ventajosas de la capa de carbono-enzima.
En funcionamiento, el sensor 1300 permite que la glucosa y el oxígeno pasen a través de la capa limitadora de glucosa 1307 y la membrana de interferencia 1309 a la capa de carbono-enzima 1310. La membrana de interferencia 1309 bloquea moléculas más grandes que pueden contaminar o interferir con los procesos químicos y eléctricos. Una vez que la glucosa y el oxígeno pasan a la capa de carbono-enzima 1310, reaccionan para formar peróxido de hidrógeno, que luego interactúa con el carbono para generar electrones libres. Estos electrones libres pueden entonces ser conducidos como muestra la flecha 1315 a través de la capa de carbono-enzima 1310 a la electrónica del sensor 1300.
Ventajosamente, el sensor 1300 no utiliza platino y tiene la enzima GOx uniformemente dispersa y totalmente atrapada dentro de la capa de carbono-enzima. De esta manera, el sensor 1300 reduce el riesgo de posibles problemas de seguridad con GOx y proporciona un nivel de sensibilidad muy deseable y un alto rendimiento de relación señal-ruido.
Haciendo referencia a la FIG. 13B, se ilustra el sensor 1301. El sensor 1301 es similar al sensor 1300, por lo que no se describirá en detalle. El sensor 1301 es un sensor de un solo cable, donde el electrodo de referencia 1305 está unido al electrodo de trabajo 1303. Se entenderá que dicha construcción física puede lograrse mediante diversos procesos de impresión, extrusión y deposición.
Haciendo referencia ahora a la FIG. 14A, se ilustra el sensor 1400. El sensor 1400 es similar al sensor 1300, por lo que no se describirá en detalle. Como se ilustra, el sensor 1400 tiene una capa limitadora de glucosa 1407 similar a la capa limitadora de glucosa 1307, una capa de carbono-enzima 1410 similar a la capa de carbono-enzima 1310, un sustrato de plástico 1412 similar al sustrato de plástico 1312, y un electrodo de referencia 1405 similar al electrodo de referencia 1305, por lo que ninguno de ellos se describirá en detalle. Como se ilustra, el sensor 1400 no tiene una membrana de interferencia. En algunos casos, no será necesaria una membrana de interferencia, ya que uno de los objetivos principales de la membrana de interferencia es proteger a los contaminantes de moléculas grandes de alcanzar y contaminar el filamento de platino. Dado que el sensor 1300 no utiliza filamento de platino, puede reducirse la necesidad de una membrana de interferencia.
Haciendo referencia a la FIG. 14B, se ilustra el sensor 1401. El sensor 1401 es similar al sensor 1400, por lo que no se describirá en detalle. El sensor 1401 es un sensor de un solo filamento, donde el electrodo de referencia 1405 con cloruro de plata o plata 1414 está conectado al electrodo de trabajo 1403. Se entenderá que dicha construcción física puede lograrse mediante diversos procesos de impresión y deposición.
Haciendo referencia ahora a la FIG. 15, se ilustra el sensor de filamento único 1501. El sensor 1501 tiene un cable de trabajo 1505 que está unido físicamente a un cable de referencia 1507, donde tanto el cable de trabajo 1505 como el cable de referencia 1507 tienen secciones transversales semicirculares con superficies planas enfrentadas. En algunos casos, puede colocarse un miembro aislante 1509 en la interfaz de superficie plana entre el filamento de trabajo 1505 y el filamento de referencia 1507. En algunas realizaciones, el filamento de trabajo 1505 puede ser el filamento de trabajo descrito con referencia a la FIG. 13B o FIG. 14B. Siguiendo con referencia a la FIG. 15, se ilustra otro sensor de filamento único 1511. El sensor de un solo filamento 1511 tiene un filamento de referencia 1515 unido a un sustrato aislado 1513 que tiene una sección transversal triangular. En un ejemplo, el sustrato 1513 puede ser un filamento de plástico extruido. También unido al sustrato 1513 hay un electrodo de referencia 1517 y un contraelectrodo 1519. En algunas realizaciones, el filamento de trabajo 1515 puede ser el filamento de trabajo descrito con referencia a la FIG. 13B o FIG. 14B. El filamento de referencia 1515, el electrodo de referencia 1517 y el contraelectrodo 1519 tienen superficies planas que miran hacia el sustrato 1513.
Haciendo referencia ahora a la FIG. 16, se describe un proceso 1600 para fabricar y aplicar la capa de carbonoenzima como se muestra en las FIG. 13A, FIG. 13B, FIG. 14A y FIG. 14B. Como se ha comentado con referencia a los sensores 600, 700 y 900, el filamento de trabajo de cada sensor tiene una capa enzimática 608, 708 y 908 respectiva. Como es bien sabido, la capa enzimática facilita una interacción química entre la glucosa y la glucosa oxidasa (GOx), que genera peróxido de hidrógeno (H2O2). El peróxido de hidrógeno reacciona además con un sustrato conductor de platino, que genera una corriente de electrones libres que puede medirse, siendo el nivel de corriente medido proporcional al nivel de glucosa en el torrente sanguíneo o ISF. Para fabricar una membrana útil para un sensor de glucosa, GOx a menudo se estabiliza con glutaraldehído. Normalmente, se mezcla una formulación de aproximadamente 0,6 % de glutaraldehído con el GOx y luego la mezcla se aplica al filamento de trabajo. Se entenderá que pueden utilizarse otras proporciones y que puede haber otros aditivos en la mezcla. Es bien sabido que la poliaziridina, los imidoésteres, la hidroxisuccinimida , la carbodilita, las melaminas, los epóxidos, el peróxido de benzoilo, el peróxido de dicumilo también pueden utilizarse como estabilizadores para el GOx, pero sufren desventajas similares a las del glutaraldehído.
Por desgracia, incluso con una mezcla adecuada, el GOx no se dispersa uniformemente dentro del glutaraldehído, dejando porciones de la capa enzimática con una mayor concentración de GOx y porciones con una menor concentración de GOx. Esta distribución desigual de GOx provoca una interacción no uniforme entre la glucosa y GOx, lo que conduce a una generación desigual de peróxido de hidrógeno. Es decir, dado un nivel constante de glucosa, diferentes porciones de la capa enzimática generarán más o menos moléculas de peróxido de hidrógeno, lo que dará como resultado más o menos electrones libres. De este modo, el nivel de glucosa medido puede variar en función del lugar de la capa enzimática donde la molécula de glucosa se posa y reacciona. Esta incertidumbre y variabilidad debido a la dispersión desigual de GOx puede dar lugar a una lectura errónea del nivel de azúcar en sangre.
Además, se sabe que GOx es citotóxico, es decir, dañino para las células. Incluso cuando el GOx se estabiliza con glutaraldehído, parte del GOx puede moverse dentro de la capa y filtrarse de la capa enzimática al cuerpo del sujeto. Dado que ninguna de las capas protectoras conocidas para una capa enzimática puede atrapar completamente al GOx, existe el riesgo de que al menos parte del GOx quede expuesto a las células del sujeto.
Además, la mayoría de los sensores conocidos utilizan un sustrato de platino sólido o un filamento de metal recubierto de platino. En cualquier caso, el platino es caro y hace que el sensor tenga un precio más elevado. El platino también es susceptible a la oxidación, lo que puede provocar inestabilidad y una baja relación señal/ruido. Como se discute con referencia a la FIG. 4A, FIG. 4B, FIG. 4C y FIG. 5, un compuesto de carbón puede ser aplicado sobre un substrato plástico, eliminando la necesidad de cualquier platino en el filamento de trabajo. Como se ha descrito en el proceso 500, el revestimiento de carbono puede ser flexible, resistente, con características eléctricas deseables y aplicado de manera que no se desprenda del sustrato de plástico.
Para abordar las deficiencias del GOx estabilizado con glutaraldehído conocido, y el gasto de platino, se proporciona una nueva capa de carbono-enzima que proporciona un atrapamiento del GOx sustancialmente mejorado y una distribución uniforme, con carbono en la misma capa para proporcionar resistencia, flexibilidad y características eléctricas apropiadas. Además, se ha descubierto que la capa de carbono-enzima proporciona una generación directa de electrones libres, no sólo eliminando la necesidad de cualquier capa conductora de iones o filamento de platino, sino proporcionando una mayor estabilidad y relaciones señal-ruido sustancialmente mejoradas.
Como se muestra en la FIG. 16, la capa de carbono-enzima se elabora utilizando un proceso 1600. Se prepara una emulsión acuosa de poliuretano como se muestra en la etapa 1603. Se entenderá que la cantidad de agua que se mezcla con el poliuretano puede ajustarse según los requisitos específicos de la aplicación. Aunque el poliuretano ha demostrado un buen rendimiento, se entenderá que pueden sustituirse otras emulsiones, como dispersiones acuosas de silicona como se ilustra en la etapa 1605, la emulsión acuosa de poliuretano se mezcla con una emulsión acuosa de poliol acrílico. El poliol acrílico actúa como un autorreticulante con el poliuretano para generar una estructura altamente estable y compacta que es capaz de atrapar completamente el GOx. La combinación de la emulsión de poliuretano en la etapa 1603 y la emulsión de poliol acrílico en la etapa 1605 genera una emulsión base en la etapa 1607. Dependiendo de los requisitos específicos de la aplicación, puede ajustarse la proporción de poliuretano y poliol acrílico; sin embargo, en un ejemplo se mezclan cantidades aproximadamente iguales de cada uno para formar la emulsión base en la etapa 1607. En una realización, GOx se mezcla con el poliuretano en una proporción de aproximadamente 1 parte de GOx por 60 partes de poliuretano por volumen. Se entenderá que se pueden utilizar otras proporciones dependiendo de la aplicación particular. También se entenderá que si se van a probar otras funciones metabólicas además de los niveles de glucosa, se pueden utilizar otras enzimas como cetona, lactato u otros catalizadores metabólicos en la etapa 1609.
Como se muestra en el bloque 1610, pueden añadirse otros aditivos opcionales. Por ejemplo, se pueden añadir uno o más hidrófilos a la mezcla de emulsión para facilitar una mejor mezcla o para proporcionar una viscosidad más adecuada para la aplicación. Los hidrófilos más conocidos incluyen PVP, PEO y Si-PEO. Se entiende que Si-PEO incluye silanos y PDMS PEO. Se entenderá que pueden utilizarse otros hidrófilos. Aunque el poliol acrílico puede proporcionar una reticulación propia al curarse, pueden añadirse otros polímeros reticulantes para una reticulación adicional. Para GOx, dichos reticulantes pueden incluir, por ejemplo, glutaraldehído y poliaziridina.
También se mezcla una mezcla de material de carbono en la emulsión en la etapa 1612. Los materiales y las proporciones del carbono se seleccionan en función de la aplicación y los requisitos funcionales. Por ejemplo, puede añadirse carbono (grafito) para aumentar la resistencia de la capa resultante, mientras que puede añadirse grafeno, grafito pirolítico o una mezcla de grafeno y grafito pirolítico para mejorar las características eléctricas. La proporción de grafito que se añada se seleccionará para proporcionar suficiente resistencia a la capa de carbono-enzima resultante, pero permitiendo la suficiente flexibilidad en la capa para que no se desprenda del sustrato plástico o sea tan quebradiza como para agrietarse. Además, la cantidad de grafeno y grafito pirolítico se puede ajustar para establecer una resistencia deseada para la capa de carbono-enzima. Se entenderá que se pueden sustituir otras formas de carbono.
A medida que se prepara la mezcla final en la etapa 1612, se puede añadir agua adicional o uno o más hidrófilos (como PVP) en la etapa 1616 para obtener la viscosidad y las propiedades fluidas adecuadas (por ejemplo, para diluir la mezcla) para facilitar tanto la dispersión uniforme del GOx, como para permitir la técnica de aplicación seleccionada.
Si bien se ha ilustrado un orden particular para agregar componentes de la mezcla de poliuretano/GOx/C en la etapa 1612, se entenderá que el orden se puede cambiar sin afectar la capa resultante. La mezcla de poliuretano/GOx/C se aplica al electrodo de trabajo, por ejemplo, mediante pulverización, inmersión, depósito o impresión en la etapa 1621. La mezcla se cura en la etapa 1625, momento en el que la capa se retícula para proporcionar una dispersión estable de GOx.
Ventajosamente, la mezcla de poliuretano/GOx/C, al ser una emulsión acuosa, es segura, fácil de manejar y aplicar, y proporciona una distribución uniforme del GOx. Además, como los polímeros reticulados están totalmente estabilizados y atrapados en la capa, el GOx no puede pasar de la capa enzimática al cuerpo del sujeto, lo que reduce los problemas de seguridad. Además, como la mezcla de poliuretano/GOx/C es más estable que las capas enzimáticas anteriores, tiene una vida útil más larga y es capaz de soportar una carga mayor. Con una mayor carga de GOx, la mezcla de poliuretano/GOx/C tiene una mayor sensibilidad y permite una relación señal/ruido superior a la de los dispositivos conocidos.
En un ejemplo de la emulsión de carbono-enzima aplicada en la etapa 1621, la emulsión de carbono-enzima comprende lo siguiente:
0,5 a 2 partes de emulsión de poliuretano;
0,5 a 2 partes de emulsión de poliol acrílico;
0,5 a 2 partes de carbono, que comprende:
0,5 a 1 partes de grafito;
0,0 a 1 partes de grafeno; y
0,0 a 2 partes de grafito pirolítico;
0,0 a 3 partes de agua e hidrófilo; y
0,01 a 0,1 partes de GOx.
Aunque el proceso 1600 se ha discutido con referencia a la enzima GOx, se apreciará que pueden sustituirse otras enzimas según la función metabólica concreta que se desee controlar. Por ejemplo, las siguientes enzimas se pueden utilizar en el proceso 1600. Se apreciará que se pueden utilizar otras enzimas y funciones metabólicas, por ejemplo:
Enzima Función metabólica
Lactato Deshidrogenasa Lactato
Hidroxibutirato deshidrogenasa Cetona
Se ha hecho referencia en detalle a las realizaciones de la invención divulgada, uno o más ejemplos de las cuales se han ilustrado en las figuras adjuntas. Cada ejemplo se ha proporcionado a modo de explicación de la presente tecnología, no como una limitación de la presente tecnología. De hecho, mientras que la especificación se ha descrito en detalle con respecto a las realizaciones específicas de la invención, se apreciará que los expertos en la materia, al lograr una comprensión de lo anterior, pueden concebir fácilmente alteraciones y variaciones de estas realizaciones. Por ejemplo, las características ilustradas o descritas como parte de una realización pueden ser empleadas en otra realización para obtener otra realización adicional. Por lo tanto, está previsto que la presente materia objeto cubra todas estas modificaciones y variaciones dentro del alcance de las reivindicaciones adjuntas. Estas y otras modificaciones y variaciones de la presente invención pueden ser puestas en práctica por los expertos en la técnica, sin apartarse del alcance de la presente invención, que se expone en las reivindicaciones adjuntas. Además, los expertos en la técnica apreciarán que la descripción anterior es solo a modo de ejemplo, y no pretende limitar la invención.

Claims (11)

REIVINDICACIONES
1. Un método para fabricar una membrana enzimática para un electrodo de trabajo de un monitor biológico continuo, que comprende:
elaborar una emulsión acuosa de poliuretano (1103, 1603);
elaborar una emulsión de poliol acrílico;
mezclar la emulsión de poliuretano y la emulsión de poliol acrílico para hacer una emulsión base (1105, 1605); añadir una enzima (1109) a la emulsión base (1107, 1607) para crear una dispersión de emulsión enzima/base (1609), la enzima seleccionada según la función biológica a controlar;
aplicar la dispersión de emulsión de enzima/base al electrodo de trabajo (1121, 1621); y
curar la dispersión de emulsión enzima/base aplicada (1125, 1625).
2. El método según la reivindicación 1, en donde la enzima es glucosa oxidasa y la función biológica es el nivel de glucosa.
3. El método según la reivindicación 1, que comprende además añadir un hidrófilo a la dispersión de emulsión de enzima/base (1110, 1610) antes de la aplicación.
4. El método según la reivindicación 3, en donde el hidrófilo es polivinilpirrolidona (PVP), óxido de polietileno (PEO) o silano-PEO (Si-PEO).
5. El método según la reivindicación 1, que comprende además añadir un reticulante a la dispersión de emulsión enzima/base (1110, 1610) antes de la aplicación.
6. El método según la reivindicación 5, en donde el reticulante es glutaraldehído o poliaziridina.
7. El método según la reivindicación 1, que comprende además añadir imidoésteres, hidroxisuccimida, carbodilita, melaminas, epóxidos, peróxido de benzoilo o peróxido de dicumilo a la dispersión de emulsión enzima/base (1110, 1610) antes de la aplicación.
8. El método según la reivindicación 1, en donde la aplicación comprende sumergir, pulverizar, depositar o imprimir.
9. El método según la reivindicación 1, en donde el curado comprende mover aire, aplicar calor o aplicar vacío.
10. El método según la reivindicación 1, en donde en donde la relación entre la emulsión de poliuretano y la emulsión de poliol acrílico es de aproximadamente 1a 1 en volumen.
11. El método según la reivindicación 1, en donde la enzima es lactato deshidrogenasa, lactato oxidasa o hidroxibutirato deshidrogenasa.
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