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Jun 23, 2023

Batterie souple

Rapports scientifiques volume 12,

Rapports scientifiques volume 12, Numéro d'article : 12356 (2022) Citer cet article

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Dans ce travail, une communication en champ proche (NFC) basée sur un microcontrôleur à faible puissance interfacée avec une pile à combustible hybride à glucose abiotique flexible est conçue pour fonctionner comme un capteur de glucose sans batterie. La pile à combustible à glucose abiotique est fabriquée en déposant du platine colloïdal (co–Pt) sur la région anodique et un composite de nanoparticules d'oxyde d'argent et de nanotubes de carbone multiparois (Ag2O-MWCNT) sur la région cathodique. Le comportement électrochimique est caractérisé par voltamétrie cyclique et chronoampérométrie. Cette pile à combustible hybride glucose a généré une tension en circuit ouvert de 0,46 V, une densité de courant de court-circuit de 0,444 mA/cm2 et une densité de puissance maximale de 0,062 mW/cm2 à 0,26 V en présence de glucose physiologique 7 mM. Lors de l'intégration du dispositif de la pile à combustible hybride glucose abiotique avec le module NFC, les données du système de surveillance du glucose sont transmises avec succès à une application Android pour visualisation sur l'interface utilisateur. La tension cellulaire était corrélée (r2 = 0,989) à la concentration de glucose (jusqu'à 19 mM) avec une sensibilité de 13,9 mV/mM•cm2.

La surveillance continue de la glycémie est la stratégie la plus efficace pour réduire les complications pouvant résulter d'une glycémie élevée dans l'organisme. Les personnes atteintes de diabète doivent fréquemment vérifier leur glycémie à l'aide d'un test par piqûre au doigt et/ou de moniteurs de glycémie en continu (CGM). Un capteur idéal pour surveiller le glucose dans le corps doit présenter une stabilité à long terme et communiquer sans fil les changements transitoires des niveaux de glucose avec le patient ou le soignant. Les transducteurs électrochimiques ont suscité beaucoup d'attention au cours des dernières décennies dans le développement de biocapteurs à base de glucose1,2,3. Les transducteurs électrochimiques convertissent les informations chimiques ou biologiques, telles que la concentration de l'analyte et la composition globale, en un signal électrique utile. De plus, ils présentent un large éventail d'avantages par rapport aux autres techniques, tels que la simplicité de construction et un temps de réaction rapide avec une grande limite de détection, de sélectivité et de sensibilité4,5,6.

La sensibilité des biocapteurs électrochimiques est considérablement améliorée par les matériaux conducteurs utilisés dans la conception de la zone électroactive et les nanomatériaux ont été largement explorés en tant que matériaux de détection pour augmenter la sensibilité et la plage linéaire du biocapteur électrochimique7. La plupart des biocapteurs électrochimiques sont conçus pour détecter une large gamme d'analytes et sont généralement composés d'un matériau de détection d'électrode modifié avec un élément de bioreconnaissance ou un biorécepteur, tel que des enzymes, des anticorps ou des aptamères8, 9. Nanotubes de carbone à parois multiples et à paroi unique6, 9, les oxydes métalliques semi-conducteurs7, 10, les polymères conducteurs11,12,13 et le graphène14 sont parmi les matériaux de détection les plus utilisés. L'application de nanoparticules ou de nanostructures, telles que le platine, l'or et l'argent, continue de susciter une attention particulière en raison de leurs propriétés électrochimiques exceptionnelles15, 16 pour améliorer le transfert d'électrons direct et rapide du biorécepteur au collecteur de courant, ainsi que l'efficacité du biocapteur dans l'absence de médiateurs17, 18. Ces matériaux présentent un rapport volume/surface élevé et une grande biocompatibilité et constituent donc une alternative attrayante aux biorécepteurs pour le développement de biocapteurs pour les dispositifs de surveillance de la santé portables1, 19,20,21.

Les appareils de soins de santé portables se sont principalement concentrés sur la miniaturisation des appareils et le fonctionnement sans fil (par exemple, Bluetooth et communication en champ proche (NFC))22, 23. Bien que l'appareil portable ait principalement utilisé la technologie Bluetooth, sa grande taille et son poids peuvent affecter la portabilité22. Ali et al. ont rendu compte du développement d'un dispositif de surveillance de la glycémie implanté utilisant le Bluetooth Low Energy (BLE)24. Les données de glucose du système sont transférées via BLE vers un PDA (smartphone ou iPad), qui affiche les données au format texte. Cette technologie réussit dans une certaine mesure à réduire la consommation d'énergie d'une unité d'alimentation externe et de l'unité implantée. De même, un système de surveillance de la glycémie basé sur un réseau corporel sans fil a été construit à l'aide d'un glucomètre, d'un Arduino Uno et d'un module Zigbee et un site Web a été utilisé pour réaliser une surveillance à distance de la glycémie25. Cependant, en raison de la forte consommation d'énergie de la carte Arduino Uno et du module Zigbee, le système n'est pas économe en énergie. Pour remédier à cette limitation, d'autres ont utilisé un émetteur externe pour se connecter et charger le capteur de glucose sans fil avec la fonctionnalité Bluetooth et l'application smartphone26. De plus, des appareils basés sur NFC ont été proposés pour améliorer le confort corporel en raison de ses avantages d'être sans batterie et sans fil27, 28. Diverses applications basées sur NFC ont été démontrées, y compris la détection colorimétrique de la transpiration26, un appareil "semblable à la peau" surveillant le cœur variabilité de la fréquence cardiaque (HRV)27, dosimètre ultraviolet épidermique28, oxymétrie de pouls29, lentilles de contact intelligentes30 et tatouage électronique sans fil18.

Dans ce travail, nous présentons un système de surveillance du glucose sans fil flexible imprimé comprenant une pile à combustible hybride abiotique à glucose et un module sans fil sans batterie utilisant la technologie NFC. Les électrodes anodiques et cathodiques développées sont décorées respectivement avec du co–Pt et du composite Ag2O-MWCNT. La tension générée par la pile à combustible hybride abiotique développée est corrélée avec le glucose et sert de signal analogique pour le transfert de données du module NFC vers une application de smartphone portable. Le module de transfert de données utilisait un microcontrôleur basse consommation (MSP 430) activé à l'aide d'un smartphone avec antenne NFC recevant les données de tension instantanée respectives de la pile à combustible hybride abiotique. Une application pour smartphone développée est déployée pour communiquer les données entre le dispositif NFC et le smartphone pour la visualisation de l'utilisateur final et l'énergie nécessaire à la transmission des données est fournie par le smartphone. Le système fabriqué a le potentiel d'être utilisé comme un outil permettant au patient d'enregistrer et de surveiller les niveaux de glucose avec un horodatage approprié et d'autres variables pour mieux gérer la maladie. De plus, l'application pour smartphone peut améliorer la commodité des soins de santé portables en fournissant des informations de santé personnalisées via des appareils mobiles (par exemple, des smartphones et des tablettes PC).

La figure 1 illustre schématiquement le système de surveillance du glucose basé sur la pile à combustible abiotique, le module NFC et l'application pour smartphone. Le matériau du substrat d'électrode a été imprimé sur de la nanocellulose bactérienne sur une plaquette de polyéthylène téréphtalate à l'aide d'une encre dorée NGP-J et d'une imprimante de matériaux Fujifilm Dimatix 2850 équipée d'une cartouche DMC-11610 (taille de goutte de 10 pL) selon la méthode rapportée précédemment18. En bref, l'anode et la cathode Au imprimées ont été modifiées avec du platine colloïdal (co – Pt) et des nanotubes de carbone multiparois à nanoparticules d'oxyde d'argent (Ag2O-MWCNT), respectivement, et recouvertes de Nafion. L'anode électrocatalytique en co-Pt associée à la cathode sacrificielle en oxyde d'argent joue un rôle important dans l'utilisation de la pile à combustible hybride comme dispositif de surveillance du glucose puisque la tension électrique est corrélée à la concentration en glucose et fonctionne donc comme un capteur de glucose16, 31. La réaction d'oxydo-réduction (redox) de la pile à combustible hybride abiotique est la suivante :

Une illustration schématique du système de surveillance du glucose sans fil comprenant une pile à combustible hybride glucose abiotique, un module NFC et une application pour smartphone. La pile à combustible hybride glucose abiotique est construite à l'aide d'une anode de platine colloïdal (co–Pt) (a) et d'une cathode de nanoparticules d'oxyde d'argent (Ag2O)-nanotubes de carbone (MWCNT) (b).

dans lequel l'Ag2O peut ensuite être lentement régénéré par exposition à l'air/oxygène à température ambiante18. La pile à combustible à glucose abiotique assemblée a été connectée au module NFC (TI RF430FRL152H) pour une transmission sans fil.

Comme le montre la figure 2A, le fonctionnement de l'appareil est divisé en deux parties : (1) l'interface sans fil comprenant la puce NFC et la bobine pour la communication sans fil avec le smartphone et (2) l'interface de pile à combustible hybride glucose abiotique avec la puce NFC qui lit le signal analogique en valeurs ADC sigma-delta 14 bits. Un lecteur NFC, tel qu'un smartphone, est amené à proximité du module NFC pour alimenter le dispositif et obtenir les données transférées depuis le module NFC. Ici, une résistance (R1 = 100 kΩ) a été couplée pour connecter le système de pile à combustible et a servi de résistance de référence. Les condensateurs C1 (9 pF) et C2 (0,1 μF) ont servi respectivement de condensateur de résonance pour le réglage de la fréquence de résonance du système NFC et de condensateur de découplage pour la suppression du bruit. Avec la conversion de signal analogique-numérique précédente dans le microcontrôleur basse consommation, les données acquises sont transférées au smartphone via une communication de champ RF et converties à l'aide d'un algorithme personnalisé basé sur les données d'étalonnage du glucose. Une interface utilisateur est développée en incorporant d'autres caractéristiques comme l'âge, la taille, le poids, etc. pour permettre le suivi futur des changements brusques qui pourraient conduire à une gravité de la maladie. L'algorithme a été développé en JAVA à l'aide de plusieurs scripts pour permettre l'extraction des fonctionnalités supplémentaires à afficher sur un smartphone. L'application Android actuelle se concentrait sur l'acquisition de données en temps réel, fournissant des horodatages et une option d'affichage graphique pour la visualisation des données. La figure 2B montre le système de détection physique appliqué à la peau pour des applications portables.

(A) Schémas du système de surveillance du glucose comprenant une pile à combustible hybride glucose et un module sans fil basé sur NFC. Insertion d'image : montage expérimental. (B) Le système de détection physique appliqué sur la peau.

Pour quantifier la réponse au glucose avec la pile à combustible hybride glucose abiotique construite, une voltamétrie cyclique (CV) a été réalisée pour l'anode co-Pt avec une surface de 1,178 cm2 dans une solution tampon phosphate (PBS) 0,1 M contenant du glucose 7 mM sous divers des vitesses de balayage allant de 20 à 100 mV/s pour déterminer si la réaction électrochimique est dominée par le contrôle de diffusion ou le contrôle de surface (Fig. 3A). Une fenêtre de potentiel de -0,7 à 0,8 V a été utilisée. La figure 3B montre que le courant de crête d'oxydation correspondant a augmenté avec l'augmentation de la vitesse de balayage et s'avère linéairement corrélé avec la racine carrée de la vitesse de balayage et est donc contrôlé par diffusion. L'anode nanostructurée en co-Pt Au présentait une surface efficace et la réaction contrôlée par diffusion observée peut être confirmée par l'équation de Randles-Sevcik, dans laquelle les électrons sont facilement transférés entre la solution d'électrolyte et la surface de l'électrode32. L'électro-oxydation du glucose est activée par le transfert d'électrons se produisant à la surface de l'or co–Pt en présence de glucose. Le pic d'oxydation résultant présentait une densité de courant plus élevée autour de 1,435 mA/cm2 par rapport à la densité de courant de 0,85 mA/cm2 en l'absence de glucose. Cela montre que le co–Pt présente un effet catalytique dans l'oxydation directe du glucose. Le composite Ag2O-MWCNT est utilisé comme accepteur d'électrons dans la pile à combustible hybride, comme illustré dans l'équation. (2). Ag2O est réduit en Ag dans l'air à un potentiel de démarrage de 0,231 V. De plus, cette cathode Ag2O sacrificielle peut ensuite être lentement régénérée par exposition à l'air/oxygène dans du PBS à température ambiante. La voltampérométrie à balayage linéaire est utilisée pour obtenir les caractéristiques de performance de la pile à combustible hybride abiotique. Une tension de circuit ouvert de 0,46 V, une densité de courant de court-circuit de 0,444 mA/cm2 et une densité de puissance maximale de 0,062 mW/cm2 à 0,26 V en présence de glucose physiologique 7 mM sont obtenues, indiquant ainsi un transfert d'électrons réussi pour le co– Électrodes Pt et Ag2O-MWCNTs.

(A) Caractérisation de l'anode co-Pt Au par voltamétrie cyclique à différentes vitesses de balayage dans du PBS 0,1 M contenant du glucose 7 mM. (B) Relation linéaire correspondante entre les courants de pointe anodiques et la racine carrée de la vitesse de balayage.

La chronoampérométrie de l'anode co-Pt Au a été réalisée dans un tampon phosphate 0, 1 M supportant l'électrolyte sous agitation constante et suivie d'un ajout consécutif de glucose à un potentiel appliqué de - 100 mV. La figure 4A montre les ampérogrammes en escalier par étapes lors de l'ajout successif de glucose. Lors de l'ajout de l'aliquote de glucose, le courant d'oxydation a augmenté presque instantanément jusqu'à un courant d'oxydation à l'état d'équilibre en 3 s. La réponse rapide du capteur est due à l'activité catalytique du co–Pt, dans laquelle les électrons sont immédiatement transportés vers la surface de l'électrode à partir de l'électrolyte de glucose33. Les courants d'oxydation augmentent avec l'augmentation de la concentration en glucose. La figure 4B montre que la courbe d'étalonnage correspondante présente une relation linéaire jusqu'à 40 mM de glucose (r2 = 0,989) avec une sensibilité de 0,795 mA/mM•cm2. Les analytes concurrents et non concurrents coexistent avec le glucose et sont facilement oxydés. Les analytes interférents dans les fluides biologiques sont au moins 10 fois inférieurs à ceux du glucose. La figure 5 montre la courbe de réponse actuelle lors de l'ajout de glucose (0,5 mM, 1 mM et 3 mM) et 1 mM d'analytes interférents concurrents et non concurrents (acide urique, acide ascorbique, acétaminophène, galactose, fructose et maltose) à la potentiel imprimé de - 0,1 V. Le courant de réponse a fortement augmenté et atteint un état d'équilibre pour le glucose. Les réponses actuelles pour l'acide urique, l'acide ascorbique, l'acétaminophène, le galactose, le fructose et le maltose se sont avérées insignifiantes5. Ces résultats indiquent une bonne sélectivité du co–Pt, qui est attribuée au revêtement de nafion et à la spécificité permise par le co–Pt.

(A) Chronoampérométrie du co–Pt lors d'ajouts successifs de glucose (potentiel appliqué : − 0,1 V) dans du PBS 0,1 M pH 7,4. (B) Courbe d'étalonnage correspondante. Barres d'erreur : ± écart type des mesures en triple.

Profil de réponse actuel (i) des analytes interférents à l'anode co-Pt lors de l'ajout de 0,5 mM, 1 mM et 3 mM de glucose et 1 mM d'analytes interférents au potentiel appliqué : - 0,1 V dans 0,1 M PBS pH 7,4.

Le TI RF430FRL152H utilise une communication NFC/RFID pour transmettre des données sans fil sur de courtes distances allant généralement de 1 à 5 cm34. Le NFC est une puce de transpondeur RFID passive de 13,56 MHz qui contient une interface RFID conforme aux normes ISO 15 693 et ​​ISO 180 003 ainsi qu'un microcontrôleur 16 bits programmable MSP430 avec mémoire ferroélectrique à accès aléatoire (FRAM) intégrée de 2 Ko et analogique sigma-delta. interfaces de convertisseur numérique-numérique (ADC). Le module NFC a été mis en œuvre car il explore l'induction électromagnétique entre deux inducteurs de type bobine, où la puissance induite est maximisée en faisant correspondre la fréquence de résonance des deux bobines dans le dispositif NFC et le lecteur (par exemple, smartphone), respectivement35, 36. Plus élevé l'inductance est nécessaire pour une induction de puissance magnétique plus forte, qui est principalement dictée par le nombre de tours37. Parce qu'un nombre de spires plus élevé nécessite une plus grande dimension, la miniaturisation du dispositif et la puissance magnétique élevée s'excluent mutuellement. L'antenne utilisée comporte 5 spires avec un espacement de 0,5 mm entre les spires adjacentes. De plus, le lecteur NFC sert non seulement de source d'alimentation pour l'appareil NFC, mais il peut également en lire les données38, 39. Dans ce cas, un smartphone compatible NFC peut alimenter l'appareil NFC40, 41. Les électrodes de l'abiotique des piles à combustible hybrides glucose connectées au module NFC ont été immergées dans une solution de glucose saturée d'air. La transmission de puissance a commencé la mesure et le temps nécessaire pour recevoir les données transmises était inférieur à 2 s. La tension générée par la pile à combustible hybride glucose abiotique est transmise via le module NFC, qui convertit ensuite le signal analogique de tension en signal numérique pour les signaux basse tension de 0,0 à 0,9 V. La conversion sigma ADC intégrée du signal collecté est alors transmis à un smartphone via une communication de champ radiofréquence (RF) pour permettre à l'algorithme de corrélation de glucose développé de calculer et de rapporter la valeur de glucose détectée. Ces données sont ensuite traitées pour fournir des rapports en temps réel. Ainsi, le NFC a permis les mesures sans fil de la pile à combustible hybride glucose abiotique électrochimique.

L'appareil NFC dispose d'une mémoire FRAM intégrée, universelle et non volatile pour stocker le code de programme ou les données utilisateur telles que les données d'étalonnage et de mesure. L'ADC sigma-delta 14 bits intégré possède une entrée analogique qui comprend un amplificateur à gain programmable afin que le signal d'entrée n'atteigne pas les limites supérieures de la puissance d'entrée. Le modulateur sigma-delta analyse le signal d'entrée analogique et réduit le bruit aux basses fréquences. Dans ce cas, l'ADC intégré a permis une conversion analogique-numérique haute résolution des lectures de capteur capturées avec une fréquence d'échantillonnage allant jusqu'à 2 kHz. Nous avons utilisé un smartphone Google Pixel 3a comme lecteur NFC en raison de sa compatibilité avec le module ISO/IEC 15693 pour prendre en charge la communication sans contact sur le frontal analogique35. Le Google Pixel 3a avec la capacité ISO/IEC 15693 a été configuré pour que l'appareil fonctionne et lorsque l'appareil termine le nombre configuré de balayages de capteur, il s'éteint. L'appareil NFC peut être redémarré en appliquant à nouveau un champ RF.

La tension fournie au circuit NFC par la pile à combustible hybride glucose abiotique est enregistrée et transmise sans fil. Les données reçues sont stockées au format brut qui est alimenté par les sorties du modulateur, notamment à haute fréquence et à une vitesse de sortie de 1 bit38. Une fonction de filtre numérique passe-bas est utilisée pour atténuer le bruit haute fréquence résultant en un signal haute résolution provenant de la pile à combustible hybride glucose abiotique. Le traitement a été réalisé à l'aide d'un outil de développement basé sur Android Studio, dans lequel un algorithme personnalisé a été développé pour prendre les données enregistrées et les classer dans les trois entrées ADC disponibles sur le microcontrôleur MSP430. Le microcontrôleur est codé pour lire les signaux de tension analogiques de la pile à combustible en réponse à l'ajout consécutif de glucose en mg/dL. Le graphique linéaire de régression le mieux adapté (Fig. 6) montre une corrélation linéaire entre la valeur de tension de la pile à combustible et le niveau de glucose (1–19 mM) avec un coefficient de corrélation, r2 = 9893. Cette corrélation linéaire permet de calculer le niveau de glucose via l'équation linéaire : y = 13,885x + 211,18. La figure supplémentaire S1 montre un exemple du script utilisé pour convertir les valeurs numériques en concentrations de glucose respectives. Les données enregistrées sont stockées dans la base de données en temps réel Firebase avec l'horodatage et les paramètres d'entrée de l'utilisateur. La base de données Firebase est un stockage cloud basé sur NoSQL qui permet d'accéder aux données sur différentes plates-formes. La base de données peut être utilisée hors ligne et pour capturer les données dans la mémoire de l'appareil et les synchroniser après la reconnexion à Internet. Des paramètres tels que l'âge, la taille, le poids et l'horodatage sont des paramètres importants qui peuvent éventuellement être utilisés pour fournir une meilleure gestion du diabète en termes de risque d'atteindre les limites supérieures ou inférieures des plages glycémiques.

Relation linéaire tension-glucose de la pile à combustible hybride glucose.

Les mesures prises par le microcontrôleur sont envoyées au smartphone pour visualisation. L'application (.apk) portant le nom "Assemble" est créée et l'interface graphique principale de l'application créée est illustrée à la Fig. 7A avec les paramètres d'entrée de l'utilisateur et la valeur de glucose obtenue à partir du système de surveillance du glucose. La figure 7B fournit une capture d'écran du stockage des données dans la base de données cloud firebase. Chaque utilisateur se voit attribuer un ID utilisateur généré automatiquement et la mesure en temps réel est enregistrée dans la base de données stockée sous l'ID utilisateur spécifique. La pile à combustible hybride glucose connectée au circuit NFC maintient une tension de sortie entre 0,22 et 0,7 V pendant le fonctionnement. Nous avons enregistré la sortie de concentration de glucose du système de surveillance du glucose en fonction du temps lors de l'ajout successif de glucose à l'aide de l'application pour smartphone et la figure 7C montre la stabilité de la réponse du système dans du PBS 0, 1 M sur 17 min. La réponse du système de surveillance du glucose lors de l'ajout successif de différentes concentrations de glucose (0,25 à 10 mM) est restée stable jusqu'à ce que la prochaine aliquote soit ajoutée après la période de 2 min, après quoi ses performances ont immédiatement augmenté, suivies d'un déclin progressif après ~ 30 s pour atteindre un niveau d'équilibre. L'image d'insertion fournit une détection de glucose de preuve de concept. Ce résultat confirme que le système de surveillance du glucose sans fil est prometteur et souhaitable pour les applications de surveillance du glucose.

(A) Interface de smartphone pour la capture de glucose et d'autres fonctionnalités indépendantes (B) Base de données cloud Firebase Realtime. (C) Profil de stabilité du système de surveillance du glucose fonctionnant sur une concentration croissante de glucose [0,25–10 mM] dans du PBS 0,1 M pH 7,4. Insérer une image : système de détection physique exposé à une solution de glucose standard (7 mM).

Dans la gestion de la glycémie, une variabilité des taux de glucose à jeun globaux et des taux de glucose chez les personnes diabétiques par rapport aux personnes normoglycémiques ou prédiabétiques a été observée39. Les termes « hyperglycémie » et « hypoglycémie » sont traditionnellement utilisés pour décrire des taux de glucose « trop élevés » ou « trop bas », respectivement, dans la gestion du diabète de type 1 et de type 240, 41. Ce scénario est illustré à la figure supplémentaire S2, où le système de surveillance du glucose est exposé à diverses concentrations de glucose générées à l'aide d'un générateur de nombres aléatoires pour imiter les réponses glycémiques. Certaines des réponses étaient suffisamment élevées et faibles pour être qualifiées d'hyperglycémie ou d'hypoglycémie. Pour l'autogestion de la glycémie, les lignes rouges indiquent les seuils inférieur et supérieur dans lesquels maintenir les fluctuations de la glycémie et les fluctuations persistantes au-dessus ou en dessous de ces seuils au fil du temps peuvent entraîner une hospitalisation42. Ces résultats démontrent que le système de surveillance du glucose sans fil sans pile peut détecter les changements transitoires du niveau de glucose et le suivi des paramètres liés au poids et au stress qui affectent la glycémie. Le système de surveillance de la glycémie développé a le potentiel de permettre la responsabilité de l'utilisateur dans l'autogestion de la glycémie et d'apporter les changements de style de vie nécessaires pour améliorer les soins.

En résumé, nous avons développé un système de surveillance du glucose sans fil flexible sans batterie de preuve de concept comprenant une pile à combustible hybride glucose abiotique, un module NFC et une application pour smartphone. Le cadre d'application comprenait un suivi personnalisé de la glycémie. La pile à combustible hybride glucose a généré une tension de circuit ouvert de 0,46 V, une densité de courant de court-circuit de 0,444 mA/cm2 et une densité de puissance maximale de 0,062 mW/cm2 à 0,26 V en présence de glucose physiologique 7 mM. Une plage linéaire de glucose de 1 à 19 mM avec une sensibilité de 13,9 mV/mM•cm2 a été observée pour le système de surveillance du glucose. L'inclusion du module sans fil NFC avec capacité de conversion ADC a permis de convertir la détection de la tension de la pile à combustible en réponse au glucose en une sortie numérique pour une application pour smartphone. L'application pour smartphone a été conçue pour enregistrer les données générées par le système de surveillance du glucose et fournir une visualisation en temps réel des données mesurées. Nous avons démontré le bon fonctionnement du système de surveillance du glucose pour produire des lectures de glucose stables et pour répondre aux changements transitoires du niveau de glucose. De plus, un dépistage systématique des fluctuations glycémiques élevées permettrait l'identification précoce des personnes à risque de complications évitables du diabète. La prévention des complications du diabète améliore la qualité de vie des patients tout en réduisant le fardeau financier des dépenses de santé. Les travaux futurs comprendront la création d'un progiciel prédictif à usage clinique ainsi que l'exploration du système dans les fluides biologiques.

Le nitrate d'argent, le polyéthylène glycol 3000 (PEG), l'hydroxyde de sodium, le D (+) glucose, le phosphate de potassium monobasique, l'azoture de sodium, l'acide urique, l'acide ascorbique, l'acétaminophène, le galactose, le fructose, le maltose et le Nafion ont été obtenus auprès de Sigma-Aldrich. La solution de platinisation a été achetée auprès de YSI Inc., et l'encre à nanoparticules d'or NGP-J a été acquise auprès d'Iwatani Corporation of America. Le nanotube de carbone à parois multiples NINK-1000 a été obtenu auprès de Nanolab, Inc. La nanocellulose bactérienne (BNC) a été synthétisée à l'aide de la méthode précédemment rapportée utilisant la culture de Gluconacetobacter xylinus (ATCC 10245) dans de l'hydrosulfite de sodium (milieu HS)18. Toutes les solutions ont été préparées avec 18,2 MΩ-cm d'eau Milli-Q. La contre-électrode en platine, l'électrode de référence Ag/AgCl et le potentiostat PalmSense4 ont été achetés auprès de BASI Inc. Le circuit intégré (IC) de transpondeur RFID Texas Instruments (TI) RF430FRL152H a été acheté auprès de Digi Key Electronics et un Google Pixel 3A a servi de smartphone.

Toutes les mesures électrochimiques (voltampérométrie cyclique et chronoampérométrie) ont été effectuées à l'aide de la station de travail électrochimique Palmsense4. La cellule électrochimique se compose d'un système conventionnel à trois électrodes où l'électrode modifiée imprimée en or a été utilisée comme électrode de travail, l'électrode Ag/AgCl (3 M KCl) comme électrode de référence et une électrode de platine comme contre-électrode pour caractériser l'électrode dans Tampon phosphate de potassium 0,1 M (pH 7,4) contenant diverses concentrations de glucose. Toutes les expériences électrochimiques ont été réalisées à température ambiante (25,0 ± 0,5 °C) en utilisant une cellule électrochimique.

En bref, l'anode Au imprimée a été modifiée par électrodéposition de platine colloïdal (co – Pt) à l'aide d'une solution de platine YSI à un potentiel appliqué de - 225 mV contre Ag / AgCl pendant 1500 s. La cathode Au imprimée a été modifiée avec des nanotubes de carbone à parois multiples de nanoparticules d'oxyde d'argent (Ag2O-MWCNT). Les nanoparticules d'Ag2O ont été synthétisées à partir d'une solution de PEG et de nitrate d'argent à 75 °C et pH 9,8 pendant 1 h. Une solution de MWCNT a été mélangée aux nanoparticules d'Ag2O par ultra-sonication pour réaliser les Ag2O-MWCNT déposés sur la surface d'or imprimée. L'anode et la cathode Au imprimées nanostructurées ont été recouvertes de Nafion pour séparer l'anode et la cathode et ont été utilisées pour améliorer la stabilité du nanocomposite ainsi que pour filtrer sélectivement les analytes interférents. Les électrodes construites sont assemblées en collant les plots de connexion via de la colle au carbone à un fil de tungstène, qui a ensuite été scellé avec de la colle à fil. L'efficacité catalytique de la pile à combustible hybride glucose abiotique a été améliorée à l'aide de l'anode et de la cathode nanostructurées. La pile à combustible à glucose abiotique assemblée a été connectée au module NFC (TI RF430FRL152H) pour une transmission sans fil. L'insert d'image de la figure 2 montre la configuration expérimentale globale. L'étude sur le corps a été réalisée selon un protocole approuvé par le comité d'examen institutionnel (IRB) de l'Université Old Dominion (IRB19065965). Toutes les expériences ont été réalisées conformément aux directives et aux réglementations. Tous les participants ont lu le document de description de l'étude et ont fourni un consentement éclairé écrit avant leur participation. De plus, les participants ont rempli un questionnaire de dépistage médical pour s'assurer de l'absence de toute affection cardiaque ou pulmonaire, ou d'autres affections susceptibles d'altérer leur capacité à faire de l'exercice et à transpirer.

Les ensembles de données utilisés et/ou analysés au cours de l'étude en cours sont disponibles auprès de l'auteur correspondant sur demande raisonnable.

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La recherche présentée dans cet article a été soutenue par le National Science Foundation Award #1921364 et #1925806.

Centre de bioélectronique, Département de génie électrique et informatique, Université Old Dominion, Norfolk, VA, 23528, États-Unis

Abattage de Saikat Banerjee et Gymama

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SB et GS ont écrit le texte principal du manuscrit et SB a réalisé les expériences. Tous les auteurs ont examiné le manuscrit.

Correspondance à Gymama Slaughter.

Les auteurs ne déclarent aucun intérêt concurrent.

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Réimpressions et autorisations

Banerjee, S., Slaughter, G. Système flexible de surveillance du glucose sans fil sans batterie. Sci Rep 12, 12356 (2022). https://doi.org/10.1038/s41598-022-16714-1

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Reçu : 28 mars 2022

Accepté : 14 juillet 2022

Publié: 19 juillet 2022

DOI : https://doi.org/10.1038/s41598-022-16714-1

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