Ingenjörer vid University of California San Diego har utvecklat en miniatyr, ultra-låg effekt injicerbar biosensor som kan användas för kontinuerlig, långsiktig alkoholövervakning. Chippet är tillräckligt litet för att kunna implanteras i kroppen strax under hudytan och drivs trådlöst av en bärbar enhet, som en smartklocka eller patch.

"Det slutliga målet med detta arbete är att utveckla en rutin, diskret övervakningsanordning för alkohol och läkemedel för patienter i behandlingsprogram för missbruk, "sa Drew Hall, en elektroteknisk professor vid UC San Diego Jacobs School of Engineering som ledde projektet. Hall är också anslutet till Center for Wireless Communications och Center for Wearable Sensors, båda vid UC San Diego. Halls team presenterade detta arbete vid 2018 IEEE Custom Integrated Circuits Conference (CICC) den 10 april i San Diego.

En av utmaningarna för patienter i behandlingsprogram är bristen på praktiska verktyg för rutinmässig övervakning. Andningsapparater, för närvarande det vanligaste sättet att uppskatta alkoholhalten i blodet, är klumpiga enheter som kräver patientinitiering och inte är så exakta, Hall noterade. Ett blodprov är den mest exakta metoden, men det måste utföras av en utbildad tekniker. Tatueringsbaserade alkoholsensorer som kan bäras på huden är ett lovande nytt alternativ, men de kan enkelt tas bort och är endast för engångsbruk.

"En liten injicerbar sensor - som kan administreras på en klinik utan kirurgi - kan göra det lättare för patienter att följa en föreskriven övervakning under längre perioder, "Sa Hall.

Biosensorchipet mäter ungefär en kubik millimeter i storlek och kan injiceras under huden i interstitiell vätska - vätskan som omger kroppens celler. Den innehåller en sensor som är belagd med alkoholoxidas, ett enzym som selektivt interagerar med alkohol för att generera en biprodukt som kan detekteras elektrokemiskt. De elektriska signalerna överförs trådlöst till en närliggande bärbar enhet som en smartklocka, som också driver chipet trådlöst. Två ytterligare sensorer på chipet mäter bakgrundssignaler och pH -nivåer. Dessa avbryts för att göra alkoholavläsningen mer exakt.

Forskarna utformade chipet för att förbruka så lite ström som möjligt - totalt 970 nanowatt, vilket är ungefär en miljon gånger mindre ström än en smartphone förbrukar när du ringer. "Vi vill inte att chipet ska ha en betydande inverkan på batteriets livslängd på den bärbara enheten. Och eftersom vi implanterar detta, vi vill inte att mycket värme genereras lokalt inuti kroppen eller ett batteri som är potentiellt giftigt, "Sa Hall.

Ett av sätten som chipet fungerar på en sådan ultralåg effekt är genom att överföra data via en teknik som kallas backscattering. Detta inträffar när en närliggande enhet som en smartklocka skickar radiofrekvenssignaler till chipet, och chipet skickar data genom att modifiera och reflektera dessa signaler tillbaka till smartwatchen. Forskarna utformade också kretsar för ultralåg effektgivare för chipet och minimerade mättiden till bara tre sekunder, vilket resulterar i lägre strömförbrukning.

Forskarna testade chipet in vitro med en installation som efterliknade en implanterad miljö. Detta involverade blandningar av etanol i utspätt humant serum under lager av grishud.

För framtida studier, forskarna planerar att testa chipet i levande djur. Halls grupp arbetar med CARI Therapeutics, en start baserad på Qualcomm Institute Innovation Space vid UC San Diego, och Dr Carla Marienfeld, en beroendepsykiatriker vid UC San Diego som specialiserat sig på att behandla personer med missbruksstörningar, för att optimera chipet för nästa generations rehabövervakning. Halls grupp utvecklar versioner av detta chip som kan övervaka andra molekyler och läkemedel i kroppen.

"Detta är en proof-of-concept-plattformsteknik. Vi har visat att detta chip kan fungera för alkohol, men vi tänker oss att skapa andra som kan upptäcka olika substanser av missbruk och injicera en anpassad cocktail av dem i en patient för att ge långsiktighet, personlig medicinsk övervakning, "Sa Hall.