Development of a PSoC-based potentiostat for glycemic control : a feasibility study

More than 420 million people, approximately 6% of the world’s population, currently suffer from diabetes mellitus and, in 2019 alone, 1.5 million people died from diabetes mellitus. This metabolic disorder arises either when the pancreas does not produce enough insulin (type 1 diabetes) or when the body cannot efficiently use the insulin it produces (type 2 diabetes). Diabetes mellitus causes, over the years, severe damages to kidneys, heart, blood vessels, and nerves, all the mentioned conditions, clearly, contribute to increase the risk of death. The possibility to have an early diagnosis and a proper monitoring of diabetic patients is thus needful together with an adequate screening activity. Nowadays, the standard glycemic marker used in a clinical context is glycated hemoglobin, its blood concentration level provides long-term information about the blood glucose level trend over a period of three to four months. However, in the last years, glycated albumin has gained more and more interest since it is a mid-term control marker with a shorter lifespan (two to three weeks), it reflects, therefore, more rapid changes in plasma glucose levels, and it isn’t affected by any hematologic disorders. Currently used traditional measurement techniques for glycated albumin detection include chromatography, immunoassay, and Raman spectroscopy, and, for years, they have been considered as the gold standard since they are well-known and proven laboratory techniques. Nevertheless, they are not meant to be used directly at the patient's bedside or at home autonomously without the use of complex laboratory instruments. For this reason, new techniques that provide the possibility to design a point of care test device, such as electrochemical enzymatic sensors for the detection of glycated albumin, have been recently explored. The aim of this thesis was, therefore, the development of a potentiostatic measuring platform using a Programmable System on a Chip (PSoC) able to work as point of care test device for the detection of glycemic markers by exploiting electrochemical-based enzymatic sensors. The designed system includes both an electronic measuring system, entirely driven by an appropriately programmed microcontroller used to acquire the current signal, and resistive sensors. The latter are interdigitated electrodes, conveniently functionalized with the appropriate enzyme and an electron mediator, able to interact with the target molecule. In addition, a graphical user interface has been created to allow user interaction with the microcontroller. The validation procedure has been carried out by testing the device on well-known resistors remains stable showing that the accuracy error remains stable and acceptable for all the tested resistors. The created device has been subsequently tested within a laboratory environment to investigate the possibility to detect glucose concentration by using both glucose commercial test strips and interdigitated electrodes properly functionalized. In the former case, the results proved that the system enables repeatable measurements, and the collected experimental mean current values demonstrate the possibility to discriminate, with good accuracy, among different glucose concentrations. In the latter case, instead, the obtained results suggest that the designed device could be further improved to be used as a POCT, once the proper improvements are applied, by testing it more exhaustively and by defining an optimized experimental measuring procedure.

Attualmente più di 420 milioni di persone nel mondo, circa il 6% della popolazione mondiale, sono affette da diabete mellito e, solo nel 2019, le persone decedute a causa di questa patologia sono state 1.5 milioni. Il diabete mellito è un disordine metabolico che si verifica sia quando il pancreas non produce una quantità sufficiente di insulina (diabete di tipo 1), sia quando il corpo non è in grado di usare efficacemente l’insulina prodotta (diabete di tipo 2). Nel corso del tempo, il diabete causa gravi danni ai reni, al cuore, ai vasi sanguigni e al sistema nervoso, lo sviluppo di queste complicazioni contribuisce, inevitabilmente, all’aumento del rischio di morte. È quindi necessario poter garantire una diagnosi precoce e un regolare monitoraggio dei pazienti diabetici nonché un’adeguata attività di screening. Ad oggi, il marker glicemico più comunemente usato in ambito clinico è l’emoglobina glicata, il cui valore di concentrazione nel sangue fornisce informazioni circa l’andamento dei livelli di glucosio in un lasso di tempo compreso tra i tre e i quattro mesi. Negli ultimi anni, tuttavia, l’albumina glicata ha acquisito sempre più rilevanza come marker di controllo glicemico, in quanto caratterizzata da un ciclo di vita più breve rispetto alle altre proteine (dalle due alle tre settimane circa). Essa è, quindi, in grado di riflettere variazioni più rapide dei livelli di glucosio nel plasma ed ha, inoltre, il vantaggio di non essere compromessa da eventuali disfunzioni ematologiche. Le tradizionali tecniche utilizzate per il rilevamento dell'albumina glicata includono la cromatografia, i test immunologici e la spettroscopia di Raman e per anni sono state considerate come gold standard poiché si tratta di tecniche di laboratorio ben note e comprovate. Tali procedure, tuttavia, non sono pensate per essere usate direttamente dal paziente e senza complessi strumenti di laboratorio. Per questo motivo, sono state recentemente studiate nuove tecniche che offrono la possibilità di progettare un dispositivo di test eseguibile autonomamente, come, ad esempio, sensori enzimatici elettrochimici per la rilevazione di albumina glicata. Lo scopo di questa tesi è stato, quindi, lo sviluppo di un sistema di misura basato su un potenziostato usando un Programmable System on a Chip (PSoC) che fosse in grado di rilevare la presenza di marker glicemici, attraverso l'uso di sensori elettrochimici enzimatici. Il dispositivo realizzato comprende sia un sistema di misura elettronico, interamente gestito da un microcontrollore opportunamente programmato per acquisire il segnale di corrente, sia dei sensori resistivi. Questi ultimi sono degli elettrodi interdigitati, funzionalizzati con l'opportuno enzima e con il mediatore di elettroni, in grado di interagire con la molecola di interesse. Inoltre, è stata creata un'interfaccia grafica per consentire l'interazione dell'utente con il microcontrollore. La procedura di validazione è stata eseguita testando il dispositivo su resistenze di valore noto, dimostrando che l'errore di accuratezza rimane stabile e accettabile per tutte le resistenze utilizzate. Il dispositivo è stato, infine, testato all'interno di un ambiente di laboratorio per valutarne la capacità di rilevare la concentrazione di glucosio in soluzioni di PBS usando sia strisce commerciali reattive per la misura della glicemia sia elettrodi interdigitati opportunamente funzionalizzati. Nel primo caso, i risultati suggeriscono che il sistema consente misurazioni ripetibili, e, analogamente, i valori di corrente sperimentalmente ottenuti dimostrano la possibilità di discriminare, con buona accuratezza, tra diverse concentrazioni di glucosio. Nel secondo caso, invece, i risultati ottenuti indicano che il dispositivo progettato può essere ulteriormente sviluppato per essere usato come POCT, dopo aver applicato gli opportuni miglioramenti, testandolo più approfonditamente e definendo un protocollo di misurazione sperimentale ottimizzato.