Oda gali siųsti tam tikrus su sveikata susijusius signalus, pvz., išsausėjusią odą, kuri rodo, kad reikia drėgmės. Bet kas, jei oda būtų protingesnė, galėtų stebėti ir dalytis konkrečia informacija apie sveikatą, pvz., gliukozės koncentraciją prakaite ar širdies ritmą? Tai buvo klausimas, kuris paskatino Penn State tyrėjų vadovaujamą komandą, kuri neseniai sukūrė klijų jutimo prietaisą, kuris sklandžiai pritvirtinamas prie žmogaus odos, kad būtų galima nustatyti ir stebėti naudotojo sveikatą.
Išsamios išmaniosios odos detalės, įskaitant tai, kaip ją efektyviai perprogramuoti, kad būtų galima aptikti įvairius signalus ir netgi perdirbti, buvo paskelbta Pažangios medžiagos. Straipsnis buvo įtrauktas į seriją „Kylančios žvaigždės“, kurią koordinuoja keli žurnalai, siekiant pabrėžti ankstyvosios karjeros tyrinėtojų visame pasaulyje darbą.
„Nepaisant didelių pastangų kuriant nešiojamus jutiklius, skirtus sveikatos stebėjimui, ant vienos medžiagos platformos nebuvo sukurta daugiafunkcinės su oda siejamos elektronikos, turinčios vidinį sukibimą, paruoštą pigiais ir efektyviais gamybos metodais“, – sakė vienas iš autorių Huanyu „Larry“ Chengas. , Jamesas L. Hendersonas, jaunesnysis Peno valstijos inžinerijos koledžo inžinerijos mokslo ir mechanikos docentas.
„Tačiau šis darbas pristato ant odos tvirtinamą, perprogramuojamą, daugiafunkcį lipnų įrenginio pleistrą, pagamintą paprastu ir nebrangiu lazeriu.
Chengas paaiškino, kad įprastiniai lanksčios elektronikos gamybos būdai gali būti sudėtingi ir brangūs, ypač dėl to, kad jutikliai, pastatyti ant lanksčių substratų arba pagrindo sluoksnių, nebūtinai patys yra lankstūs. Jutiklio standumas gali apriboti viso įrenginio lankstumą.
Cheng komanda anksčiau sukūrė biomarkerių jutiklius, naudodama lazeriu sukeltą grafeną (LIG), kuris apima lazerio naudojimą 3D tinklams modeliuoti ant poringo, lankstaus substrato. Dėl lazerio ir substrato medžiagų sąveikos susidaro laidus grafenas.
„Tačiau LIG pagrįsti jutikliai ir prietaisai ant lanksčių substratų iš esmės nėra tempiami ir negali prisitaikyti prie sąsajos su žmogaus oda, kad būtų galima biologiškai pajusti“, – sakė Chengas, pažymėdamas, kad žmogaus odos forma, temperatūra ir drėgmės lygis keičiasi. ypač fizinio krūvio metu, kai gali prireikti stebėti širdies ritmą, nervų veiklą arba gliukozės kiekį prakaitui. „Nors LIG gali būti perkeltas į tamprius elastomerus, šis procesas gali labai sumažinti jo kokybę.”
Dėl to Chengas sakė, kad sunkiau užprogramuoti jutiklio įrenginį, kad būtų galima stebėti konkrečius biologinius ar elektrofizinius signalus. Net jei įrenginį galima tinkamai užprogramuoti, jo jutimo veikimas dažnai pablogėja.
„Siekiant išspręsti šiuos iššūkius, labai pageidautina paruošti porėtą 3D LIG tiesiai ant tamprio pagrindo“, – sakė bendraautorius Jia Zhu, kuris 2020 m. Penn State baigė inžinerijos mokslų ir mechanikos daktaro laipsnį ir dabar yra docentas. Kinijos elektroninių mokslų ir technologijų universitete.
Tyrėjai pasiekė šį tikslą, pagamindami lipnųjį kompozitą su molekulėmis, vadinamomis poliimido milteliais, kurie padidina stiprumą ir atsparumą karščiui, ir aminų pagrindu pagamintą etoksilintą polietilenimą – polimero tipą, galintį modifikuoti laidžias medžiagas, išsklaidytą silikono elastomere arba gumoje. Tamprus kompozitas ne tik tinka tiesioginiam 3D LIG paruošimui, bet ir jo lipnumas reiškia, kad jis gali prisitaikyti ir prilipti prie nevienodų, besikeičiančių formų – kaip ir žmogus.
Tyrėjai eksperimentiškai patvirtino, kad prietaisas gali stebėti pH vertę, gliukozės ir laktato koncentraciją prakaite, taip pat gali būti aptiktas imant kraują iš piršto. Jis taip pat gali būti perprogramuotas, kad būtų galima stebėti širdies ritmą, nervų veiklą ir prakaito gliukozės koncentraciją realiuoju laiku.
Perprogramuoti taip pat paprasta, kaip užklijuoti skaidrią juostą ant LIG tinklų ir juos nulupti. Tada substratas gali būti iš naujo lazeruojamas pagal naujas specifikacijas iki keturių kartų, kol jis tampa per plonas. Kai jis tampa per plonas, visą įrenginį galima perdirbti.
Labai svarbu, anot Cheng, prietaisas išlieka lipnus ir gali stebėti net tada, kai oda tampa slidi nuo prakaito ar vandens. Šiuo metu maitinamas baterijomis arba artimojo lauko ryšio mazgais, pavyzdžiui, belaidžiu įkrovikliu, įrenginys gali rinkti energiją ir palaikyti ryšį radijo dažniais, o tai, pasak mokslininkų, sukurtų atskirą, tamprią lipnią platformą, galinčią aptikti norimus biomarkerius ir stebėti elektrofizinius signalus.
Komanda teigė, kad planuoja siekti šio tikslo, bendradarbiaudami su gydytojais, kad galiausiai pritaikytų platformą įvairioms ligoms, tokioms kaip diabetas, valdyti ir ūmių problemų, tokių kaip infekcijos ar žaizdos, stebėjimas.
„Norėtume sukurti naujos kartos išmaniąją odą su integruotais sveikatos stebėjimo jutikliais, taip pat įvertinti, kaip įvairūs gydymo būdai veikia sveikatą, ir vaistų pristatymo modulius, skirtus laiku gydyti“, – sakė Chengas.