Urządzenia medyczne do noszenia cieszą się coraz większym zainteresowaniem. Ale ta technologia ma pewien problem. Dosłownie.
Większość plastrów zatrzymuje ciepło i pot. W rezultacie na skórze tworzy się nieprzyjemny mikroklimat, który powoduje podrażnienia i prowadzi do zniekształcenia danych. Głównym winowajcą są zazwyczaj hydrożele, będące podstawą wielu czujników. Są bogate w wodę, dzięki czemu są wygodne, ale także szczelne.
Inżynierowie z Massachusetts Institute of Technology (MIT) właśnie rozwiązali ten problem. Stworzyli hydrożel, który „oddycha” – zupełnie jak płuca.
Dlaczego nowoczesne czujniki skórne nie wykrywają potu
To jest sedno problemu. Konwencjonalne hydrożele blokują przepuszczalność powietrza. Podczas ćwiczeń skóra nagrzewa się i zaczyna się pocić. Standardowy plaster silikonowy lub hydrożelowy zatrzymuje ciepło i wilgoć w porach.
Konsekwencje? Podrażnienie, słaba przyczepność do skóry i niedokładne odczyty czujnika.
Badanie z 2024 r. opublikowane w Science Advances umożliwiło monitorowanie przez osiem dni przy użyciu plastra przepuszczającego gaz. Był cienki (około 10 mikronów) i wzmocniony nanosiatką poliuretanową. To zadziałało, ale pozostało wysoce wyspecjalizowanym rozwiązaniem.
Nowy zespół z MIT poszedł inną drogą. Ich technika, opublikowana w czasopiśmie Nature, polega na tworzeniu kanałów powietrznych bezpośrednio w masie hydrożelowej. Jednocześnie nie zmniejszono zawartości wody: materiał składa się z niej w 70%, ale przepuszcza tlen.
„Nasz materiał pokonuje to ograniczenie, utrzymując wysoką zawartość wody i miękkość, dzięki którym hydrożele są wygodne i biokompatybilne” – powiedział Xuanhe Zhao z MIT.
To brzmi niemożliwie. Woda blokuje powietrze. Powietrze blokuje wodę.
Wszystko jest tu inne.
Jak inżynierowie z MIT stworzyli „lekki” hydrożel
Jaki jest sekret? Aerożel z żelem krzemionkowym.
Pomyśl o aerożelu z żelem krzemionkowym jako o „stałym powietrzu”. Jest to nanoporowaty materiał, który odpycha wodę. Po dodaniu do standardowego preparatu hydrożelowego cząstki te zlepiają się, tworząc trójwymiarową sieć.
Sieć ta tworzy mikroskopijne kanały wypełnione powietrzem.
Woda nie dostaje się do tych kanałów, a tlen przepływa przez nie swobodnie.
W testach laboratoryjnych materiał osiągnął przepuszczalność tlenu na poziomie 185 bbl. Dla porównania jest to dziesięciokrotnie lepsze rozwiązanie niż w przypadku tradycyjnych hydrożeli.
Materiał radzi sobie również z parą wodną. Hydrożel odparowuje wilgoć 10–100 razy szybciej niż plastry silikonowe. Twoja skóra może oddychać.
Trwałość jest ważna w przypadku urządzeń przenośnych. Materiał wytrzymał 10 000 cykli rozciągania, zachowując 95% przepustowości powietrza. Jak na coś składającego się głównie z wody, jest to imponująca siła.
Charakterystyka oddychającego hydrożelu w rzeczywistych warunkach
Wyniki badań laboratoryjnych są dobre, ale prawdziwy pot to chaos.
Naukowcy z MIT testowali plastry podczas ćwiczeń, porównując nowy hydrożel z dostępnymi na rynku analogami silikonowymi.
Wyniki były oczywiste.
Po 20-minutowym treningu kamery na podczerwień pokazały, że skóra pod silikonowym plastrem rozgrzała się o 6,5 stopnia Celsjusza. Pod nim zebrał się pot. Nie wyglądało to zbyt atrakcyjnie.
Pod nowym hydrożelem? Temperatura skóry faktycznie spadła o jeden stopień. Upał ustąpił, pot się nie kumulował. Skóra wyglądała tak samo jak na otwartych obszarach ciała.
Komfort ma znaczenie. Dziesięciu ochotników nosiło plastry na piersiach przez godzinę umiarkowanych ćwiczeń. Nie wystąpiło żadne swędzenie, zaczerwienienie ani podrażnienie.
Naukowcy przetestowali również materiał jako elektrodę do elektrokardiogramu (EKG).
Standardowe elektrody hydrożelowe tracą klarowność sygnału w miarę gromadzenia się potu: wzrasta poziom szumu elektrycznego. Nowy oddychający hydrożel pozostał czysty, rejestrując stabilną czynność serca podczas jazdy na rowerze, chodzenia, spania i pracy.
Ochotnicy nosili te naszywki przez dziesięć dni z rzędu. Dane pozostały przydatne.
Co dalej z technologią czujników oddychającej skóry?
Perspektywy są obiecujące, jednak produkt nie jest jeszcze gotowy do zastosowania klinicznego.
Starszy autor badania, Xuanhe Zhao, nie ma wątpliwości co do przeszkód. Długoterminowa biokompatybilność wymaga potwierdzenia. Konieczne są duże badania na zwierzętach. Należy opracować procesy sterylizacji.
Skalowanie produkcji to inna historia.
Data ważności nieznana. Zatwierdzenie przez organy regulacyjne zajmie trochę czasu.
Badania na ludziach były niewielkie: dwie osoby badały fizjologię skóry, trzy osoby porównujące EKG, dziesięć oceniające komfort. Są to liczby potwierdzające słuszność koncepcji, a nie dane z badań klinicznych.
Dodatkowo sam materiał nie klei się do skóry. Potrzebuje fundamentu. Oznacza to, że nie jest to samodzielna łatka i wymaga integracji z istniejącymi projektami urządzeń przenośnych.
Każda aplikacja ma swoje własne wymagania. Opatrunki na rany wymagają innych właściwości niż monitory pracy serca.
Czy taka będzie przyszłość implantów medycznych?
Może.
Zhao wskazuje na większe marzenia: inżynierię tkankową i urządzenia do wszczepiania.
Sztucznie utworzone tkanki często umierają z powodu braku tlenu. Komórki „głodują”. Jeśli ten hydrożel będzie w stanie dostarczać tlen, utrzymując jednocześnie nawodnienie komórek, może to zmienić chirurgię implantacji.
„Wiele zaprojektowanych tkanek i implantów wymaga wydajnych, przenośnych urządzeń dostarczających tlen, aby utrzymać żywotność komórek” – zauważył Zhao.
Jednak implanty są obszarem wysokiego ryzyka. Normy testowania są tutaj znacznie bardziej rygorystyczne.
W międzyczasie obserwuj zastosowanie tej technologii w urządzeniach do noszenia, opatrunkach i monitorach skóry.
Technologia jest gotowa na kolejny krok. Nie na twoim stoliku nocnym.
To jest początek. Oddychający początek.
