«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.