Inženirji s kalifornijske univerze v San Diegu so razvili mehak, raztegljiv kožni obliž, ki ga je mogoče nositi na vratu in z njim neprekinjeno spremljati krvni tlak in srčni utrip ter meriti raven glukoze, laktata, alkohola ali kofeina.
Jacobs School of Engineering
To je prva nosljiva naprava, ki hkrati spremlja signale srca in ožilja ter več biokemičnih ravni v človeškem telesu.
“Takšna nosljiva naprava bi bila zelo koristna za ljudi z osnovnimi zdravstvenimi težavami, da bi lahko redno spremljali svoje zdravje,” je dejal Lu Yin, doktorski študent nanoinženirstva na univerzi UC San Diego in soavtor študije, objavljene 15. februarja v reviji Nature Biomedical Engineering [1]. “To bi bilo tudi odlično orodje za spremljanje bolnikov na daljavo, zlasti med pandemijo COVID-19, ko ljudje čim manj obiskujejo klinike.” Takšen senzor bi lahko koristil posameznikom, ki imajo visok krvni tlak in sladkorno bolezen – posameznikom, pri katerih obstaja tudi veliko tveganje, da bodo resno zboleli za COVID-19. Uporabili bi ga lahko tudi za odkrivanje začetka sepse, za katero je značilen nenaden padec krvnega tlaka, ki ga spremlja hiter dvig ravni laktata.
En mehak kožni obliž, ki lahko opravi vse, bi bil priročna alternativa tudi za bolnike v enotah intenzivne nege, vključno z dojenčki v enotah NICU, ki potrebujejo stalno spremljanje krvnega tlaka in drugih vitalnih znakov. Ti postopki trenutno vključujejo vstavljanje katetrov globoko v bolnikove arterije in privezovanje bolnikov na več bolnišničnih monitorjev.
“Novost je, da smo vzeli popolnoma različne senzorje in jih združili na eni sami majhni platformi, ki je majhna kot znamka,” je povedal Joseph Wang, profesor nanoinženiringa na univerzi UC San Diego in soavtor študije. “S tem enim nosljivim pripomočkom lahko zberemo toliko informacij in to na neinvaziven način, ne da bi povzročali nelagodje ali prekinili vsakodnevne dejavnosti.”
Novi obliž je rezultat dveh pionirskih prizadevanj Centra za nosljive senzorje [2] na univerzi UC San Diego, katerega direktor je Wang. Wangov laboratorij razvija nosljive senzorje, ki lahko hkrati spremljajo več signalov [3] – kemične, fizikalne in elektrofiziološke – v telesu. V laboratoriju profesorja nanoinženiringa Sheng Xuja na univerzi UC San Diego pa raziskovalci razvijajo mehke, raztegljive elektronske kožne obliže, ki lahko spremljajo krvni tlak [4] globoko v telesu. S skupnimi močmi so raziskovalci ustvarili prvo prožno, raztegljivo nosljivo napravo, ki združuje kemično zaznavanje (glukoze, laktata, alkohola in kofeina) s spremljanjem krvnega tlaka.
“Vsak senzor zagotavlja ločeno sliko fizikalne ali kemične spremembe. Če jih vse združimo v en nosljiv obliž, lahko te različne slike povežemo in tako dobimo celovitejši pregled nad dogajanjem v našem telesu,” je dejal Xu, ki je tudi soavtor študije.
Obliž za vse poklice
Obliž je tanka plast raztegljivih polimerov, ki se lahko prilagodi koži. Opremljen je s senzorjem krvnega tlaka in dvema kemičnima senzorjema – eden meri raven laktata (biomarker fizičnega napora), kofeina in alkohola v znoju, drugi pa raven glukoze v intersticijski tekočini.
Obliž lahko hkrati meri tri parametre, po enega iz vsakega senzorja: krvni tlak, glukozo ter laktat, alkohol ali kofein. “Teoretično bi lahko zaznali vse hkrati, vendar bi to zahtevalo drugačno zasnovo senzorja,” je dejal Yin, ki je tudi doktorski študent v Wangovem laboratoriju.
Senzor krvnega tlaka je nameščen blizu sredine obliža. Sestavljen je iz niza majhnih ultrazvočnih pretvornikov, ki so na obliž privarjeni s prevodnim črnilom. Napetost, ki jo priključimo na pretvornike, povzroči, da v telo pošljejo ultrazvočne valove. Ko se ultrazvočni valovi odbijejo od arterije, senzor zazna odmev in signale pretvori v podatek o krvnem tlaku.
Kemična senzorja sta dve elektrodi, ki sta na obliž natisnjeni s sitotiskom prevodnega črnila. Elektroda, ki zaznava laktat, kofein in alkohol, je natisnjena na desni strani obliža; deluje tako, da se v kožo sprosti zdravilo, imenovano pilokarpin, ki povzroči znojenje, in zazna kemične snovi v znoju. Druga elektroda, ki zaznava glukozo, je natisnjena na levi strani; deluje tako, da skozi kožo prehaja blag električni tok, ki sprosti intersticijsko tekočino, in meri glukozo v tej tekočini.
Raziskovalce je zanimalo merjenje teh posebnih biomarkerjev, ker vplivajo na krvni tlak. “Izbrali smo parametre, ki nam bodo omogočili natančnejše in zanesljivejše merjenje krvnega tlaka,” je povedala soavtorica Juliane Sempionatto, doktorska študentka nanoinženirstva v Wangovem laboratoriju.
“Recimo, da spremljate svoj krvni tlak in čez dan opazite skoke ter pomislite, da je nekaj narobe. Vendar bi vam lahko podatek o biomarkerju pokazal, ali so ti skoki posledica uživanja alkohola ali kofeina. Ta kombinacija senzorjev vam lahko da tovrstne informacije,” je dejala.
Pri testiranju so preiskovanci nosili obliž na vratu, medtem ko so opravljali različne kombinacije naslednjih nalog: telovadba na stacionarnem kolesu, uživanje obroka z visoko vsebnostjo sladkorja, pitje alkoholne pijače in pitje pijače s kofeinom. Meritve z obliža so se natančno ujemale z meritvami, ki so jih opravile komercialne naprave za spremljanje, kot so manšeta za merjenje krvnega tlaka, merilnik laktata v krvi, glukometer in alkotest. Meritve ravni kofeina pri uporabnikih so bile preverjene z meritvami vzorcev znoja v laboratoriju, ki so bili obogateni s kofeinom.
Inženirski izzivi
Eden največjih izzivov pri izdelavi obliža je bila odprava motenj med signali senzorjev. Da bi to dosegli, so morali raziskovalci ugotoviti, kakšen je optimalen razmik med senzorjem krvnega tlaka in kemičnimi senzorji. Ugotovili so, da en centimeter razmika zadostuje, medtem, ko je celoten senzor še vedno dovolj majhen. Raziskovalci so morali tudi ugotoviti, kako fizično zaščititi kemične senzorje pred senzorjem krvnega tlaka. Slednji je običajno opremljen s tekočim gelom za merjenje ultrazvoka, ki omogoča jasne odčitke. Toda kemični senzorji so prav tako opremljeni z lastnimi hidrogeli in težava je, da če kateri koli tekoči gel iz senzorja krvnega tlaka izteče in pride v stik z drugimi geli, to povzroči motnje med senzorji. Zato so raziskovalci namesto tega uporabili trdni gel za merjenje ultrazvoka, za katerega so ugotovili, da deluje enako dobro kot tekoča različica, vendar brez uhajanja.
“Iskanje pravih materialov, optimizacija celotne postavitve, brezhibna integracija različnih elektronskih elementov – ti izzivi so zahtevali veliko časa,” je povedal soavtor Muyang Lin, doktorski študent nanoinženirstva v Xuovem laboratoriju. “Imamo srečo, da je sodelovanje med našim laboratorijem in laboratorijem profesorja Wanga tako dobro. Sodelovanje z njima pri tem projektu je bilo zelo zanimivo.”
Naslednji koraki
Ekipa že pripravlja novo različico obliža s še več senzorji. “Obstajajo možnosti za spremljanje drugih biomarkerjev, povezanih z različnimi boleznimi. Tej napravi želimo dodati več klinične vrednosti,” je dejal Sempionatto.
Trenutno delo vključuje tudi zmanjševanje elektronike za senzor krvnega tlaka. Zdaj je treba senzor priključiti na vir energije in namizno napravo, ki prikazuje odčitane vrednosti. Končni cilj je vse to namestiti na obliž in vse skupaj narediti brezžično.
To raziskavo sta podprla Center za nosljive senzorje UC San Diego in Nacionalni inštitut za zdravje (dotacija št. 1R21EB027303-01A1).
Viri:
1: https://www.nature.com/articles/s41551-021-00685-1
2. http://cws.ucsd.edu/
3: https://jacobsschool.ucsd.edu/news/release?id=1938
4: https://jacobsschool.ucsd.edu/news/release/2627
Povzeto po:
https://bit.ly/3JQU1ee
