Устройства для мониторинга и лечения отныне можно начертить прямо на коже пациента
Ученые University of Houston (Университет Хьюстона, США) анонсировали разработку абсолютно новой технологии, в рамках которой мониторинг, предотвращение и лечение заболеваний и травм производится с помощью медицинских датчиков, наносимых непосредственно на кожу пациента специальными чернилами.
Точное извлечение физиологических и физических сигналов из кожи человека имеет решающее значение для мониторинга здоровья, профилактики заболеваний и лечения, считают ученые. Благодаря непосредственному взаимодействию электронных устройств с кожей можно извлечь такую информацию, как состояние сердца, мышц, комплексное электрическое сопротивление (импеданс) и гидратация кожи. Однако существующие устройства носимой электроники - фитнес-трекеры, датчики ЭКГ и ряд других полезных сенсоров, в том числе и последние достижения в виде гибких и растягивающихся биоэлектронных пластырей, способны отслеживать физическую активность владельца, его мышечные сигналы, частоту сердечных сокращений, температуру и показатели влажности кожи, давая возможность следить за состоянием его здоровья. Но все они имеют ряд существенных недостатков, главный из которых – высокая чувствительность к артефактам (погрешностям, допущенным во время исследования) движения, а также нехватка надлежащего сцепления (адгезии) с биологической поверхностью (в данном случае - с кожей пациента), особенно во время движения. Все это приводит к неправильной интерпретации результатов, ошибочной диагностике и, как следствие, существенному снижению качества жизни пациентов.
Новый тип носимых технологий, разработанный в США, получил название Drawn-on-skin electronics («Наносимая электроника»). Ученые предлагают наносить различные медицинские датчики и схемы непосредственно на кожные покровы пациента. Новая технология позволит врачам не только собирать информацию о состоянии его здоровья – мониторить мышечные сигналы, частоту сердечных сокращений, температуру и показатели влажности кожи – независимо от его двигательной активности, но и ускорять заживление ран.
Технологию составляют три различных типа специальных чернил, обладающих свойствами проводника, полупроводника и диэлектрика, а также специальной ручки. Многофункциональные датчики и схемы - транзисторы, тензодатчики, датчики температуры, нагреватели, датчики гидратации кожи и электрофизиологические датчики - «рисуются» непосредственно на коже человека с использованием трафаретов.
По сравнению с существующей носимой и/или печатной биоэлектроникой, Drawn-on-skin electronics обладает многочисленными преимуществами. Так, для ее изготовления не требуется сложное специализированное оборудование, электронные материалы можно наносить на динамические активные поверхности (кожу пациента), а невосприимчивость к артефактам движения обеспечивается без необходимости дополнительного оборудования или вычислений.
Электрофизиологический контроль сигнала показал невосприимчивость Drawn-on-skin electronics к механическим деформациям и к артефактам движения, стабильную работу в присутствии выделяемого кожей пота, надежный захват сигналов в течение длительного времени.
Такие датчики практически не чувствуются самим пациентом. Повредить их или удалить с кожи не получится – это показали тесты на шелушение, растирание и деформацию кожи. Любые дефекты в устройствах Drawn-on-skin electronics устранить очень легко, в то время как повреждение иных носимых устройств требует полной их замены.
И, наконец, электростимуляция, производимая нанесенной на кожу электроникой, продемонстрировала благотворное влияние на повреждение кожных покровов. Электроды Drawn-on-skin electronics легко настраиваются под любую форму и размер раны, применение импульсной электростимуляции способствует быстрому их заживлению, в особенности в фазах пролиферации и ремоделирования тканей. В примере, приведенном учеными в описании технологии, фигурируют кожные раны от оскольчатых ранений, которые часто получают солдаты при военных действиях. Процесс полного заживления таких ран может занять от нескольких дней до нескольких месяцев.
Все это делает подобные решения практически незаменимыми для персонализированного лечения, а также в ситуациях, когда доступ к сложному оборудованию получить невозможно.
Подробное описание разработанной технологии и проведенных испытаний представлены в статье «Ultra-conformal drawn-on-skin electronics for multifunctional motion artifact-free sensing and point-of-care treatment» журнала «Nature communications».