Prakaitas ne tik atvėsina perkaitinantį kūną. Išmatuojant cheminį individo prakaito makiažą, būtent chlorido kiekį, cheminį druskos komponentą – gali būti ankstyvas perspėjimo sistema, padedanti informuoti cistinės fibrozės diagnozę – genetinę ligą, kuri sugadina plaučius ir virškinimo sistemą.
Neseniai „Penn State“ tyrėjų grupė sukūrė nešiojamą prietaisą, galintį tiksliai sekti chlorido jonų lygį prakaitu, kuris yra būtinas norint įvertinti hidratacijos būklę ir sveikatos būklę, pavyzdžiui, cistinę fibrozę ir dar daugiau. Jų jutiklis leidžia realiu laiku sekti mankštinamojo asmens prakaitą per hidrogelio pagrindu sukurtą dizainą, kuris leidžia įrenginiui veikti padidintu jautrumu, tikslumu ir efektyvumu, tuo pačiu pakartotinai naudojamas. Jų tyrimai, kuriuos galima rasti internete, bus paskelbtas lapkričio numeryje Biosensoriai ir bioelektronika.
„Tradicinis chlorido jonų lygio matavimo metodas yra nuvykti į ligoninę ir atlikti atliktus matavimus, kurie užima daug laiko ir brangus“,-sakė Wanqing Zhang, inžinerijos mokslo ir mechanikos doktorantūros doktorantė bei popieriaus bendraautorius.
„Dėvimiems jutikliams mes sukūrėme prakaito ir sekimo chlorido jonų lygį realiu laiku, tiesiai ant tiriamojo kūno. Tai tyrėjams suteikia daug informacijos apie asmens sveikatą ir, ypač šiam tyrimui, gali nustatyti aukštą chlorido jonų lygį, reiškiantį cistinės fibrozės buvimą.”
Nešiojamos jutiklių technologija nėra nauja, turinti keletą kitų prietaisų, įskaitant tuos, kurie nustato specifinius prakaito biomarkerius, pradedant tik nuo „Penn State“ tyrimų. Tačiau Zhang paaiškino, kaip skirtingi esami dizainai susiduria su skirtingomis pagrindinėmis problemomis. Kolorimetriniai prakaito jutikliai, kurie keičia spalvą, atsižvelgiant į tam tikros cheminės medžiagos ar reakcijos buvimą, negali sukelti grįžtamojo rodmenų.
Jei jutiklis nustato aukštą chlorido jonų lygį, jis negali grįžti į neutralią būseną ir išmatuoti žemą lygį, tai reiškia, kad tyrėjai gali atlikti tik vieną tikslų rodmenį, prieš tai reikia pritaikyti naują jutiklį. Kitas dizainas, žinomas kaip potenciometrinis prakaito jutiklis, veikia matuojant potencialų energijos skirtumą tarp dviejų elektrodų. Nors šie jutikliai siūlo nuolatinį stebėjimą, jie paprastai turi ribotą jautrumą ir veikia, kad funkcionuotų brangias jonų selektyvias membranas.
Anot Zhang, naujasis tyrimų komandos jutiklis naudoja kelių tipų hidrogelį-vandenį turtingą, į gelį panašią medžiagą, pagamintą iš prijungtų molekulių tinklų, vadinamų polimerais, kad šias problemas būtų išspręstos vienu metu.
Komandos jutiklyje yra prakaito kamera, katijonų selektyvus hidrogelis (CH) su mobiliais katijonais ir didelio druskingumo hidrogelis (HH), turintis didelį druskos kiekį, pavyzdžiui, prakaitą. Kai prakaitas patenka į kamerą, druskos koncentracijos skirtumas tarp prakaito ir HH sukelia mobiliuosius katijonus CH CH juda iš HH pusės į prakaito kameros pusę, sukuriant atviros grandinės įtampą (OCV) tarp dviejų taškų. Stebėdami šią įtampą – tai rodo, kiek chlorido jonų yra prakaito mėginyje, jie gali sekti chlorido jonų lygius.
„Kitų jutiklių dizaine yra nepaprastai sunku arba neįmanoma efektyviai sekti mažų chlorido jonų lygio svyravimų“, – sakė Huanyu „Larry“ Chengas, Jamesas L. Hendersonas, Jr. Memorialinis inžinerijos mokslo ir mechanikos docentas, ir korespondencingas autorius ant popieriaus. „Įtraukdami du skirtingus hidrogelio tipus į savo jutiklio dizainą, mes galime išmatuoti OCV pokyčius visame jutiklyje realiuoju laiku, tai reiškia, kad galime sekti chlorido jonų lygio svyravimus mūsų subjekto prakaite.”
Tačiau naudojant tik šiuos hidrogelio tirpalus kėlė kai kurias problemas, paaiškino Zhang. Hidrogelio medžiaga yra hidrofilinių polimerų tinklas arba medžiagos, labai traukiamos į vandenį, tai reiškia, kad vanduo ir elektrolitai gali lengvai įveikti gelius. Komanda naudojo medžiagą, žinomą kaip PVDF-HFP plėvelė, norėdama išskirti savo hidrogelius nuo vandens pertekliaus ar elektrolitų, kurie galėtų neigiamai paveikti jutiklio tikslumą.
„Tai buvo pagrindinis iššūkis, su kuriuo susidūrėme vystymosi metu – kai mes naudojome tik du hidrogelio tipus, vanduo sukeltų gelį išsipūtus, žeminantį našumą“, – teigė Zhang. „Naudodamiesi PVDF-HFP plėvele, pavyzdžiui, užtvara tarp hidrogelio, mes sugebėjome apsaugoti hidrogelį nuo vandens pertekliaus, todėl jis galėtų veiksmingai stabilizuoti ir palengvinti OCV.”
Norėdami išbandyti jutiklį, komanda atliko du skirtingus eksperimentus. Pirmiausia jie surinko prakaitą iš tiriamojo mankštos ir išanalizavo jį naudojant jutiklį atskirai nuo tiriamojo kūno. Tada jie stebėjo prakaitą, nes tiriamasis nešiojo jutiklį mankštindamiesi, stebėdami chlorido jonų lygius programinėje įrangoje, kuri realiuoju laiku suformuoja informaciją. Tada abiejų eksperimentų rodmenys buvo lyginami, kad būtų galima patvirtinti jutiklio rodmenų tikslumą.
Jutiklis labai greitai renka duomenis, išmatuodamas ir vizualizuodamas chlorido jonų lygį per 10 sekundžių. Anot Zhango, jutiklis yra žymiai jautresnis nei esami jutikliai, sukuriant skaitymus, kurių tikslumas yra 174 milivoltai per dešimtmetį – beveik trigubai padidėja 59,2 milivolto per dešimtmetį, matomu potenciometriniuose jutikliuose. Be puikaus grįžtamumo, Zhang paaiškino, kaip didelis jutiklio nuoseklumas ir nepriklausomybė nuo ankstesnių rodmenų užtikrina lengvą, tikslų rodmenis, nereikia užmegzti ryšių tarp kelių ankstesnių rodmenų, pagerinant pakartotinį naudojimą.
Nors jų jutiklis pirmiausia buvo sukurtas siekiant padėti nustatyti chlorido jonų kiekį, rodantį cistinę fibrozę, Cheng teigė, kad, jo manymu, dizainas yra stiprus būsimų nešiojamų prietaisų, galinčių pajusti kitus biomarkerius, pagrindas.
„Šis jutiklis atvėrė duris pigių, keičiamų ir nešiojamų chlorido jutikliams“,-teigė Chengas. „Mes tikime, kad mūsų dizaine naudojamą mechaniką galima pritaikyti grįžtamai stebėti kitus jonus ar cheminius junginius, kurie atsiranda prakaitu, pavyzdžiui, gliukozė, kuri suteiktų papildomos informacijos apie subjekto sveikatą. Mechaniką taip pat galima išplėsti į skirtingas pritaikymus ir platformas, ne tik nešiojamus prietaisus, kuriuos mes tiriame dabar.”