Plastični čipi za spremljanje telesnih funkcij

Majhen laboratorij za krvne preiskave, ki ga lahko nosite v žepu suknjiča, je sposoben hitro analizirati tveganje za nastanek krvnih strdkov v nogah pred poleti na večjih razdaljah, senzor na zapestnici za merjenje električnega smoga lahko opozori bolnike s srčnim spodbujevalnikom na življenjsko nevarno izpostavljenost.

S »pametno plastiko« lahko takšne napravice spremenimo v realnost. Znanstveniki na Fraunhofer Institute for Reliability and Microintegration IZM v Münchnu intenzivno delajo prav na tem.

Vsako leto približno 80.000 ljudi v Nemčiji resno zboli zaradi zamašitve žil, ki jih povzročajo krvni strdki. Take tromboze lahko povzročijo pljučno embolijo ali celo srčni napad. Tudi potniki na dolgih letalskih progah so izpostavljeni tveganju za globoko vensko trombozo. Z novim sistemom bo kmalu mogoče hitro in enostavno oceniti tveganje za potovalno trombozo.

Letalski potniki bi morali žrtvovati le eno kapljico krvi za analizo v merilni napravi. Posebnost tega miniaturnega laboratorija v čipu je, da je osnova sistema plastika, zato je lahko njegova proizvodnja poceni. To bi omogočalo stroškovno učinkovito proizvodnjo uporabnih diagnostičnih sistemov. Tako majhni sistemi za analizo krvi so še vedno znanstvena fantastika. V projektu EU DVT-Imp (www.diagnosingdvt.com) raziskovalci iz osmih evropskih držav razvijajo ključne temelje za laboratorij na čipu iz plastike.

»Ta primer jasno kaže možnosti za sistem Polytronic. V povezanem svetu, ki je usmerjen k človeku, potrebujemo večnamenske sisteme. Za izgradnjo potrebne infrastrukture za to morajo biti elektronski sistemi proizvedeni v velikih količinah, na stroškovno učinkovit način in na velikih podlagah substrata. S polimerno elektroniko bi bilo to povsem mogoče, »pravi profesor Karlheinz Bock, vodja oddelka »Polytronic Systems » na IZM. Politronika, oziroma polimerna elektronika je ključna tehnologija, ki združuje funkcionalne materiale in elektroniko. Velika prednost je preprosta in poceni proizvodnja: polimerne materiale lahko raztopijo in jih nato ponovno uporabijo v obliki elektronskega črnila v postopku tiskanja, strukturirane na gibljivih podlagah. »Na ta način bomo lahko graditi majhne, priročne sisteme, ki bodo enostavni za uporabo in bodo v veliki meri olajšala življenje bolnikom in starejšim osebam,« pojasnjuje Bock.

Marljivost pri delu na inženiringu diagnostičnih sistemov za globoko vensko trombozo lahko pripišemo desetim vodilnim evropskim raziskovalnim inštitutom in visokotehnološkim podjetjem. Jedro bodoče analitske naprave – laboratorij v čipu, je bilo zgrajeno in preizkušeno v IZM. To je majhna, zelo natančno izdelana kartuše za enkratno uporabo, ki deluje kot orodje za biokemično analizo kapljice krvi. Sestavljajo jo polikarbonatna plošča z dimenzijami 3 mm x 22 mm x 70 mm, ki združuje dve kritični komponenti v eni napravi. Najpomembnejši element – folija debeline 150 mikrometrov, na katerem je pripeto filigransko omrežje vodnikov in zlatih senzorjev za krvno analizo, ter 120 mikrometra globok tekočinski kanal za stik krvi z elementi analize. Znotraj komore senzorja so na elektrodah integrirana protitelesa, ki omogočajo analizo koncentracije označevalcev (markerjev) strjevanja krvi. Če je število povišano, obstaja tveganje nastanka tromboze – tvorijo se strdki krvi.

Vendar pa je lahko ta sistem pomemben življenjski spremljevalec ne samo za k trombozi nagnjenim potnikom na dolgih letalskih poletih ali bolnike z možgansko kapjo, ampak tudi kadilcem, nosečnicam in ljudem s povečano telesno težo. Tem ne bo več treba več dni čakati za laboratorijske rezultate o možnosti tvorbe krvnih strdkov. Podobno kot za test glukoze v krvi zadostuje le kaplja bolnikove krvi na vložku za enkratno uporabo, ki je fizično nameščen v malem ročnem skenerju. Že v nekaj minutah so rezultati prikazani na zaslonu – in, če je potrebno, lahko takoj ustrezno ukrepamo. Projekt EU o izvedljivosti tega sistema se bo iztekel sredi tega leta.

Senzorska zapestnica – tudi produkt inženiringa na IZM – je primerna za dolgoročno spremljanje različnih pomembnih telesnih funkcij pri starejših, bolnikih in tudi športnikih. Ima videz plastične ročne ure. Namesto številčnice je senzor zapestnice opremljen z osvetljenim »elektroluminiscenčnim zaslonom«, ki lahko na primer prikazuje dejansko telesno temperaturo ob katerem koli času dneva. Prav tako zazna kožno vlago, ki je lahko znak za dehidracijo bolnika ali športnika. Osebam s srčnim spodbujevalnikom lahko zapestnica signalizira potencialno nevarnost s prikazom moči električnega ali elektromagnetnih polj v neposredni bližini. Izmislimo si lahko še veliko podobnih aplikacij in če je potrebno, lahko v politronic platformo vključimo še tako raznoliko paleto senzorjev.

S tehničnega vidika je senzorska zapestnica kombinacija polimera in konvencionalne elektronike. Elementi za osvetlitev, senzorji in polimerni upori natisnjeni na folijo so povezani v sistem z integriranimi vezji iz silicija. Tri mikrometre tanko resonančno vezje z jedkano tuljavico – ki postane neke vrste antene – zaznava električni smog. Kondenzator debeline le 30 mikrometrov, ki je pritrjen na folijo, zazna vlago kože. Gosto prepleteni meandri iz bakrenih pasov v obliki glavnika so debeli zgolj 0,5 mikrometra, vendar lahko z njimi merimo telesno temperaturo.

»Senzorska zapestnica nakazuje potencial, ki se skriva v prilagodljivi elektroniki, nameščeni na foliji,« pojasnjuje prof Bock. Miniaturni senzorji in optične funkcije se ustvarijo na foliji s kombinacijo tehničnega tiskanja in litografije. Oba, senzorsko zapestnico in diagnostični pripomoček za globoko vensko trombozo lahko proizvajamo stroškovno učinkovito in sicer kot posamezne liste in tudi kot roll-to-roll proizvodnjo v večjih serijah.

Informacije:

http://www.fraunhofer.de/en/press/research-news/2010/04/polymer-electronics.jsp