«Этот тип носимых устройств был бы очень полезным для людей с сопутствующими заболеваниями, чтобы они могли регулярно следить за своим здоровьем», – сказал Лу Инь, доктор наук в области наноинженерии.D. студент Калифорнийского университета в Сан-Диего и соавтор исследования, опубликованного в феврале. 15 в области естественной биомедицинской инженерии. «Это также послужит отличным инструментом для удаленного мониторинга пациентов, особенно во время пандемии COVID-19, когда люди минимизируют личные посещения клиники."
Такое устройство может принести пользу людям, страдающим высоким кровяным давлением и диабетом, – людям, которые также подвергаются высокому риску серьезного заболевания COVID-19. Его также можно использовать для выявления начала сепсиса, которое характеризуется внезапным падением артериального давления, сопровождающимся быстрым повышением уровня лактата.
Один мягкий кожный пластырь, который может делать все это, также станет удобной альтернативой для пациентов в отделениях интенсивной терапии, включая младенцев в отделении интенсивной терапии, которым требуется постоянный мониторинг артериального давления и других показателей жизнедеятельности. В настоящее время эти процедуры включают введение катетеров глубоко в артерии пациентов и привязку пациентов к нескольким больничным мониторам.
«Новинка здесь в том, что мы берем совершенно разные датчики и объединяем их вместе на одной небольшой платформе размером с штамп», – сказал Джозеф Ван, профессор наноинженерии Калифорнийского университета в Сан-Диего и соавтор исследования. "Мы можем собирать так много информации с помощью этого носимого устройства и делать это неинвазивным способом, не вызывая дискомфорта или прерывания повседневной активности."
Новый патч является результатом двух новаторских усилий Центра носимых датчиков Калифорнийского университета в Сан-Диего, директором которого является Ван.
Лаборатория Вана занимается разработкой носимых устройств, способных одновременно отслеживать несколько сигналов – химических, физических и электрофизиологических – в организме. А в лаборатории профессора наноинженерии Калифорнийского университета в Сан-Диего Шэн Сюй исследователи разрабатывают мягкие эластичные электронные кожные пластыри, которые могут контролировать кровяное давление глубоко внутри тела. Объединив усилия, исследователи создали первое гибкое, растяжимое носимое устройство, которое сочетает в себе химические ощущения (глюкоза, лактат, алкоголь и кофеин) с мониторингом артериального давления.
"Каждый датчик дает отдельную картину физических или химических изменений. «Объединение их всех в один носимый пластырь позволяет нам сшить эти разные изображения вместе, чтобы получить более полное представление о том, что происходит в наших телах», – сказал Сюй, который также является соавтором исследования.
Патч всех сделок
Пластырь представляет собой тонкий лист эластичного полимера, который может прилегать к коже.
Он оснащен датчиком артериального давления и двумя химическими датчиками: один измеряет уровень лактата (биомаркера физической нагрузки), кофеина и алкоголя в поту, а другой измеряет уровень глюкозы в межклеточной жидкости.
Пластырь может измерять сразу три параметра, по одному от каждого датчика: артериальное давление, глюкозу и лактат, алкоголь или кофеин. «Теоретически мы можем обнаружить их все одновременно, но для этого потребуется другой дизайн датчика», – сказал Инь, который также является доктором философии.D. студент в лаборатории Вана.
Датчик артериального давления находится в центре пластыря. Он состоит из набора небольших ультразвуковых преобразователей, которые приварены к пластырю с помощью проводящих чернил. Напряжение, приложенное к датчикам, заставляет их посылать ультразвуковые волны в тело.
Когда ультразвуковые волны отражаются от артерии, датчик обнаруживает эхо-сигналы и преобразует сигналы в показания артериального давления.
Химические датчики представляют собой два электрода, которые нанесены трафаретной печатью на пластырь из проводящих чернил.
Электрод, определяющий лактат, кофеин и алкоголь, отпечатан на правой стороне пластыря; он работает, высвобождая лекарство под названием пилокарпин в кожу, чтобы вызвать потоотделение и обнаруживая химические вещества в поте. Другой электрод, измеряющий глюкозу, напечатан на левой стороне; он работает, пропуская через кожу слабый электрический ток, чтобы высвободить интерстициальную жидкость, и измеряет уровень глюкозы в этой жидкости.
Исследователи были заинтересованы в измерении именно этих биомаркеров, потому что они влияют на артериальное давление. «Мы выбрали параметры, которые дадут нам более точное и надежное измерение артериального давления», – сказала соавтор исследования Джулиана Семпионатто, доктор наук в области наноинженерии.D. студент в лаборатории Вана.
"Допустим, вы следите за своим артериальным давлением, видите скачки в течение дня и думаете, что что-то не так. Но биомаркеры могут сказать вам, были ли эти всплески вызваны употреблением алкоголя или кофеина.
Эта комбинация датчиков может дать вам такую информацию », – сказала она.
В тестах испытуемые носили повязку на шее при выполнении различных комбинаций следующих заданий: выполнение упражнений на велотренажере; есть пищу с высоким содержанием сахара; употребление алкогольного напитка; и пить напиток с кофеином. Измерения на пластыре точно соответствовали измерениям, полученным с помощью коммерческих устройств мониторинга, таких как манжета для измерения артериального давления, измеритель лактата крови, глюкометр и алкотестер.
Измерения уровня кофеина у пользователей были подтверждены измерениями образцов пота в лаборатории с добавлением кофеина.
Инженерные задачи
Одной из самых больших проблем при создании патча было устранение помех между сигналами датчиков. Для этого исследователям нужно было определить оптимальное расстояние между датчиком артериального давления и химическими датчиками.
Они обнаружили, что расстояние в один сантиметр помогло сохранить устройство как можно меньше.
Исследователям также нужно было выяснить, как физически защитить химические датчики от датчика артериального давления. Последний обычно снабжен жидким ультразвуковым гелем для получения четких показаний.
Но химические датчики также оснащены собственными гидрогелями, и проблема в том, что если какой-либо жидкий гель из датчика артериального давления вытечет и вступит в контакт с другими гелями, это вызовет помехи между датчиками. Поэтому вместо этого исследователи использовали твердый ультразвуковой гель, который, как они обнаружили, работает так же, как и жидкая версия, но без утечек.
«Поиск подходящих материалов, оптимизация общей компоновки, интеграция различной электроники безупречно – на преодоление этих проблем потребовалось много времени», – сказал один из авторов статьи Муян Линь, доктор наук в области наноинженерии.D. студент в лаборатории Сюй. "Нам повезло, что наша лаборатория сотрудничает с лабораторией профессора Вана.
Было так весело работать вместе с ними над этим проектом."
Следующие шаги
Команда уже работает над новой версией патча, в которой будет еще больше датчиков. «Есть возможность отслеживать другие биомаркеры, связанные с различными заболеваниями.
Мы стремимся повысить клиническую ценность этого устройства », – сказал Семпионатто.
Текущие работы также включают сжатие электроники для датчика артериального давления. Прямо сейчас датчик необходимо подключить к источнику питания и настольному компьютеру, чтобы отображать его показания. Конечная цель – поставить все это на место и сделать все беспроводным.
«Мы хотим создать полную систему, которую можно было бы носить», – сказал Линь. Это исследование было поддержано Центром носимых датчиков Калифорнийского университета в Сан-Диего и Национальными институтами здравоохранения (грант №. 1R21EB027303-01A1).