Носімі медичні пристрої переживають бум. Але ця технологія має «липку» проблему. Буквально.
Більшість пластирів затримують тепло та піт. В результаті на шкірі утворюється неприємний мікроклімат, що викликає роздратування і спотворення даних. Гідрогелі – основа багатьох датчиків – зазвичай стають головним винуватцем. Вони багаті на воду, що робить їх комфортними, але при цьому непроникними для повітря.
Інженери з Массачусетського технологічного інституту (MIT) щойно вирішили це завдання. Вони створили гідрогель, який «дихає» як ваші легені.
Чому сучасні шкірні датчики не справляються з потом
Ось у чому суть проблеми. Звичайні гідрогелі блокують проникність повітря. Коли ви тренуєтеся, шкіра нагрівається і починає потіти. Стандартний силіконовий або гідрогелевий пластир замикає тепло та вологу біля пор.
Наслідки? Роздратування, слабке зчеплення зі шкірою та неточні показання датчиків.
У дослідженні 2024 року, опублікованому в Science Advances, вдалося забезпечити моніторинг протягом восьми днів за допомогою газопроникного пластиру. Він був тонким (близько 10 мікрон) і укріплений нанесенням з поліуретану. Він працював, але залишався вузькоспеціалізованим рішенням.
Нова команда з MIT пішла іншим шляхом. Опублікована в журналі Nature, їх методика передбачає створення повітряних шляхів безпосередньо в масі гідрогелю. При цьому вміст води не скоротився: матеріал на 70% складається з неї, але пропускає кисень.
«Наш матеріал долає це обмеження, зберігаючи високий вміст води та м’якість, які роблять гідрогелі комфортними та біосумісними», — сказав Сюаньхе Чжао з MIT.
Це звучить як неможливе. Вода блокує повітря. Повітря блокує воду.
Тут все по-іншому.
Як інженери MIT створили «легкоподібний» гідрогель
У чому секрет? Силікагель-аерогель.
Уявіть силікагель-аерогель як “тверде повітря”. Це нанопористий матеріал, що відштовхує воду. При додаванні до стандартної рецептури гідрогелю ці частинки збиваються в грудки, формуючи тривимірну мережу.
Ця мережа створює мікроскопічні канали заповнені повітрям.
Вода не потрапляє у ці канали, а кисень вільно проходить крізь них.
У лабораторних випробуваннях матеріал досяг проникності для кисню 185 бар. Для порівняння: це вдесятеро краще, ніж у традиційних гідрогелів.
Матеріал також справляється з водяною парою. Гідрогель випаровує вологу в 10-100 разів швидше, ніж силіконові пластирі. Ваша шкіра може дихати.
Міцність важлива для пристроїв, що носяться. Матеріал витримав 10000 циклів розтягування, зберігаючи 95% пропускної спроможності повітря. Для чогось, що складається з води, це вражаюча міцність.
Характеристики дихаючого гідрогелю в реальних умовах
Лабораторні цифри гарні, але справжній піт — це хаос.
Дослідники з MIT протестували пластирі під час фізичних вправ, порівнявши новий гідрогель із комерційними силіконовими аналогами.
Результати були в наявності.
Після 20-хвилинного тренування інфрачервоні камери показали, що шкіра під силіконовим пластиром нагрілася на 6,5 градусів за Цельсієм. Під ним збирався піт. Виглядало це не надто привабливо.
Під новим гідрогелем? Температура шкіри практично знизилася на один градус. Тепло йшло, піт не накопичувався. Шкіра виглядала так, як і на відкритих ділянках тіла.
Комфорт має значення. Десять добровольців носили пластирі на грудях упродовж години помірних фізичних навантажень. Сверблячка, почервоніння чи роздратування були відсутні.
Вчені також тестували матеріал як електрод електрокардіограми (ЕКГ).
Стандартні гідрогелеві електроди втрачають чіткість сигналу в міру накопичення поту: зростає рівень електричного шуму. Новий повітропроникний гідрогель залишався чистим, фіксуючи стабільну серцеву активність під час їзди на велосипеді, ходьби, сну та роботи.
Добровольці носили ці пластирі протягом десяти днів поспіль. Дані залишалися придатними для використання.
Що чекає на технологію дихальних шкірних датчиків у майбутньому
Перспективи обіцяють бути багатообіцяючими, але продукт ще не готовий до клінічного застосування.
Старший автор дослідження Сюаньхе Чжао чітко позначає перешкоди. Довгострокова біосумісність потребує підтвердження. Необхідні дослідження великих тварин. Потрібно розробити процеси стерилізації.
Масштабування виробництва – окрема історія.
Термін придатності невідомий. Регуляторне схвалення займе час.
Випробування на людях були невеликими: дві людини для перевірки фізіології шкіри, три для порівняння ЕКГ, десять для оцінки комфорту. Це цифри, що підтверджують концепцію, а чи не дані клінічних випробувань.
Крім того, матеріал сам по собі не прилипає до шкіри. Йому потрібна основа. Це означає, що він не є самостійним пластиром і вимагає інтеграції в існуючі конструкції пристроїв, що носяться.
Кожне застосування має свої вимоги. Засоби для перев’язування ран потребують інших властивостей, ніж монітори серця.
Чи стане це майбутнім медичних імплантатів?
Можливо.
Чжао натякає на більш масштабні мрії: інженерія тканин та пристрої, що імплантуються.
Створені штучно тканини часто відмирають через нестачу кисню. Клітини «голодують». Якщо цей гідрогель зможе доставляти кисень, зберігаючи при цьому гідратацію клітин це може змінити хірургію імплантації.
«Багато інженерних тканин і імплантатів вимагають ефективних пристроїв, що носяться, для доставки кисню, щоб підтримувати життєздатність клітин», — зазначив Чжао.
Але імплантати — це сфера високих ризиків. Стандарти тестування тут набагато суворіші.
Поки ж стежте за застосуванням технології в пристроях, засобах для перев’язки ран і шкірних моніторах.
Технологія готова до наступного кроку. Тільки не на ваш ліжковий столик.
Це початок. Дихаючий початок.
