«Умная кожа» отслеживает биологические сигналы по требованию
Кожа может посылать определённые сигналы, связанные со здоровьем. Так, сухость или ощущение стянутости указывают на потребность во влаге. Но что, если кожа могла бы отслеживать конкретную информацию о здоровье и делиться ею? Было бы полезно узнавать таким образом, например, о концентрации глюкозы в поте или частоте сердечных сокращений.
Именно этот вопрос стоял перед исследователями из Пенсильванского госуниверситета, которые недавно разработали сенсорное устройство в виде пластыря.
Соавтор разработки профессор Хуанью Ченг рассказал, что концепция представляет собой носимый датчик для мониторинга показателей здоровья. Он задумывался как многофункциональная электроника для крепления к коже, причём изготовленная недорогими и эффективными методами.
В результате команде учёных удалось получить прикрепляемый к коже, перепрограммируемый, многофункциональный пластырь, который они изготовили благодаря недорогой технологии лазерного скрайбирования. Метод распространён с 1970-х годов и представляет собой нанесение лазером рисок на рабочую поверхность.
Ченг объяснил, что в остальном всё было отнюдь не просто. Традиционные технологии изготовления гибкой электроники могут быть сложными и дорогостоящими. Так происходит чаще всего потому, что датчики на гибких подложках сами по себе не обязательно являются гибкими. То есть жёсткость датчика может ограничить гибкость всего устройства.
Но команда Ченга ранее разработала датчики биомаркеров (показателей состояния организма) с использованием лазерно-индуцированного графена (LIG), который предполагает использование лазера для создания 3D-сетей на пористой гибкой подложке. При взаимодействии лазера с материалами, содержащимися в подложке, образуется проводящий графен (двумерная форма углерода).
Однако датчики и устройства на основе LIG на гибких подложках сами по себе не растягиваются и не могут взаимодействовать с кожей человека для достижения биочувствительности, продолжил Ченг. Он также отметил, что кожа человека изменчива по форме, температуре и уровню влажности, особенно во время физических нагрузок. А именно во время занятий спортом может потребоваться мониторинг частоты сердечных сокращений, работы нервной системы или уровня глюкозы в поте. В общем, хотя LIG можно нанести на растягивающиеся эластомеры (эластичные полимеры), этот процесс может значительно снизить качество датчика.
В результате, по словам Ченга, стало бы сложнее программировать сенсорное устройство для мониторинга определённых биологических или электрофизических сигналов. Даже когда устройство можно соответствующим образом настроить, его сенсорные характеристики часто ухудшаются.
Соавтор исследования Цзя Чжу, в свою очередь, объяснил, что для решения этих проблем было крайне желательным изготовить пористую 3D-плёнку непосредственно на растягивающейся подложке.
Исследователи достигли этой цели, создав адгезивный (клейкий) композит с молекулами так называемых полиимидных (да-да, именно полиимидных!) порошков, то есть из определённых полимеров, которые повышают прочность и термостойкость. Ещё одним компонентом стал растворённый в резине этоксилированный (специально обработанный) полиэтилен на основе амина (производного аммиака). Растягивающийся композит не только обеспечивает создание 3D-лигатур, то есть добавок, но и благодаря своей клейкой природе хорошо прилегает к человеческой коже.
Исследователи экспериментально подтвердили, что устройство может контролировать значение pH, то есть показателя кислотности, концентрацию глюкозы и лактата (молочной кислоты) в поту. Те же самые показатели здоровья обычно выявляют при анализе взятой из пальца крови.

Изобретение также можно перепрограммировать для мониторинга частоты сердечных сокращений, контроля над нервной системой и замеров концентрации глюкозы в поте в режиме реального времени.
Перепрограммирование так же просто, как нанесение прозрачной ленты на узоры из LIG с их, при необходимости, отслаиванием. Затем подложку можно до четырёх раз подвергать повторной лазерной обработке для монторинга иных характеристик, прежде чем она станет слишком тонкой. А как только это произойдёт, всё устройство можно отправить на переработку.
По словам Ченга, важно, что устройство сохраняет прилипчивость и срабатывает, даже когда кожа становится влажной от пота или воды.
Пока что первые образцы новинки работают от батареек или беспроводного зарядного устройства. Но в будущем энергию можно будет получать прямо с поверхности тела пользователя, а связь с датчиком можно наладить на основе радиочастот. Так что изобретение вполне может работать как автономная эластичная система с клейкой поверхностью, способная определять желаемые биомаркеры и отслеживать электрофизические сигналы.
Именно над этим коллектив авторов и намерен трудиться в сотрудничестве с врачами. А медики наверняка заинтересуются возможностью, например, контролировать здоровье больных диабетом. Кроме того, в умный пластырь также можно было бы встроить функцию доставки через кожу лекарств.
Именно этот вопрос стоял перед исследователями из Пенсильванского госуниверситета, которые недавно разработали сенсорное устройство в виде пластыря.
Соавтор разработки профессор Хуанью Ченг рассказал, что концепция представляет собой носимый датчик для мониторинга показателей здоровья. Он задумывался как многофункциональная электроника для крепления к коже, причём изготовленная недорогими и эффективными методами.
В результате команде учёных удалось получить прикрепляемый к коже, перепрограммируемый, многофункциональный пластырь, который они изготовили благодаря недорогой технологии лазерного скрайбирования. Метод распространён с 1970-х годов и представляет собой нанесение лазером рисок на рабочую поверхность.
Ченг объяснил, что в остальном всё было отнюдь не просто. Традиционные технологии изготовления гибкой электроники могут быть сложными и дорогостоящими. Так происходит чаще всего потому, что датчики на гибких подложках сами по себе не обязательно являются гибкими. То есть жёсткость датчика может ограничить гибкость всего устройства.
Но команда Ченга ранее разработала датчики биомаркеров (показателей состояния организма) с использованием лазерно-индуцированного графена (LIG), который предполагает использование лазера для создания 3D-сетей на пористой гибкой подложке. При взаимодействии лазера с материалами, содержащимися в подложке, образуется проводящий графен (двумерная форма углерода).
Однако датчики и устройства на основе LIG на гибких подложках сами по себе не растягиваются и не могут взаимодействовать с кожей человека для достижения биочувствительности, продолжил Ченг. Он также отметил, что кожа человека изменчива по форме, температуре и уровню влажности, особенно во время физических нагрузок. А именно во время занятий спортом может потребоваться мониторинг частоты сердечных сокращений, работы нервной системы или уровня глюкозы в поте. В общем, хотя LIG можно нанести на растягивающиеся эластомеры (эластичные полимеры), этот процесс может значительно снизить качество датчика.
В результате, по словам Ченга, стало бы сложнее программировать сенсорное устройство для мониторинга определённых биологических или электрофизических сигналов. Даже когда устройство можно соответствующим образом настроить, его сенсорные характеристики часто ухудшаются.
Соавтор исследования Цзя Чжу, в свою очередь, объяснил, что для решения этих проблем было крайне желательным изготовить пористую 3D-плёнку непосредственно на растягивающейся подложке.
Исследователи достигли этой цели, создав адгезивный (клейкий) композит с молекулами так называемых полиимидных (да-да, именно полиимидных!) порошков, то есть из определённых полимеров, которые повышают прочность и термостойкость. Ещё одним компонентом стал растворённый в резине этоксилированный (специально обработанный) полиэтилен на основе амина (производного аммиака). Растягивающийся композит не только обеспечивает создание 3D-лигатур, то есть добавок, но и благодаря своей клейкой природе хорошо прилегает к человеческой коже.
Исследователи экспериментально подтвердили, что устройство может контролировать значение pH, то есть показателя кислотности, концентрацию глюкозы и лактата (молочной кислоты) в поту. Те же самые показатели здоровья обычно выявляют при анализе взятой из пальца крови.

Изобретение также можно перепрограммировать для мониторинга частоты сердечных сокращений, контроля над нервной системой и замеров концентрации глюкозы в поте в режиме реального времени.
Перепрограммирование так же просто, как нанесение прозрачной ленты на узоры из LIG с их, при необходимости, отслаиванием. Затем подложку можно до четырёх раз подвергать повторной лазерной обработке для монторинга иных характеристик, прежде чем она станет слишком тонкой. А как только это произойдёт, всё устройство можно отправить на переработку.
По словам Ченга, важно, что устройство сохраняет прилипчивость и срабатывает, даже когда кожа становится влажной от пота или воды.
Пока что первые образцы новинки работают от батареек или беспроводного зарядного устройства. Но в будущем энергию можно будет получать прямо с поверхности тела пользователя, а связь с датчиком можно наладить на основе радиочастот. Так что изобретение вполне может работать как автономная эластичная система с клейкой поверхностью, способная определять желаемые биомаркеры и отслеживать электрофизические сигналы.
Именно над этим коллектив авторов и намерен трудиться в сотрудничестве с врачами. А медики наверняка заинтересуются возможностью, например, контролировать здоровье больных диабетом. Кроме того, в умный пластырь также можно было бы встроить функцию доставки через кожу лекарств.
- Дмитрий Ладыгин
- onlinelibrary.wiley.com
Наши новостные каналы
Подписывайтесь и будьте в курсе свежих новостей и важнейших событиях дня.
Рекомендуем для вас
3700-летний вирус, спрятанный в средневековых книгах, только что убил 500 тысяч животных
Сколько еще патогенов дремлет в библиотечных хранилищах Европы и России, точно не скажет ни один ученый...
«Этого не должно происходить»: что ученые нашли в облаках Венеры
Там возможны абсолютно другие, просто невероятные формы жизни. И эксперименты это доказали...
Молилась и убивала: какой диагноз ставят Салтычихе психиатры и психологи?
Ученые говорят: феномен жестокости самой страшной помещицы России разгадан, но......
Супервспышка-1947: тогда Земля избежала триллиона бомб. Но успокоилось ли Солнце?
Астрофизики говорят, что нам очень повезло со звездой. Но шансы на глобальную катастрофу все-таки есть...
Карта 1587 года и Ноев ковчег: почему место совпало с раскопками на Арарате?
Длина «судна», кстати, тоже совпала, и это не может не настораживать...
«Выстрел» прямо в Землю: астрономы обнаружили черную дыру, выбрасывающую струю в сторону нашей планеты
Ученые рассказали, как это поможет разгадать важную космическую тайну...
Жизнь за пределами Земли: что рассказала ученым межзвездная комета 3I/ATLAS?
Объект настолько древний, что его возраст крайне сложно представить. И это не единственная загадка пришельца из глубокого космоса...
Камчатка 1000 лет назад: археологи заглянули в исчезнувший мир из космоса
Предков этих людей изгнало мощное извержение вулкана, но через столетия они вернулись в родные земли...
Нашли тайную комнату в гробнице Тутанхамона: почему там может быть Нефертити?
Если гипотеза подтвердится, это будет крупнейшее археологическое открытие современной эпохи...
Астрономы поймали сигнал из космоса: пришельцы или помеха?
И почему главная проблема в том, что мы мастерски сами себе мешаем за пределами Земли?...
928 разбросанных костей в Гёбекли-Тепе: спустя 30 лет раскопок тайна древнейшего храма наконец-то раскрыта
Однако археологи признаются: от открытия им проще не стало. Напротив, все еще больше запуталось...
Черная смерть — двигатель прогресса: как эпидемия чумы в корне поменяла ход истории в Европе
Неожиданно: книгопечатание, отмена крепостного права, раскол западного христианства — это лишь немногие последствия пандемии...
Тихий океан стал вести странно: молодая вода быстро стареет, а старая, наоборот, молодеет. В чем причина?
Особенно страдает северная часть океана. Но и есть хорошая новость...
Земля... это космическая марионетка: оказалось, что Солнце и Луна могут трясти планету сутками
Сейсмологи рассказали, что наблюдения за космическими приливами, поможет предсказывать мегаземлетрясения, цунами и даже извержения вулканов...
Таинственные пещерные иероглифы в Мексике раскрывают давно потерянную письменность
Оказалось, что разгадки лучше всего искать не в городах, а на склонах гор в глуши...
Не хуже Тутанхамона: почему сокровища забытых цариц из Ассирии поразили ученых?
Особенно загадочной оказалось гробница II, причем ее тайна до конца не раскрыта и по сей день...