Носимые медицинские устройства переживают бум. Но у этой технологии есть «липкая» проблема. Буквально.
Большинство пластырей задерживают тепло и пот. В результате на коже образуется неприятный микроклимат, вызывающий раздражение и приводящий к искажению данных. Гидрогели — основа многих датчиков — обычно становятся главным виновником. Они богаты водой, что делает их комфортными, но при этом непроницаемыми для воздуха.
Инженеры из Массачусетского технологического института (MIT) только что решили эту задачу. Они создали гидрогель, который «дышит» — как ваши легкие.
Почему современные кожные датчики не справляются с потом
Вот в чем суть проблемы. Обычные гидрогели блокируют проницаемость воздуха. Когда вы тренируетесь, кожа нагревается и начинает потеть. Стандартный силиконовый или гидрогелевый пластырь запирает тепло и влагу у пор.
Последствия? Раздражение, слабое сцепление с кожей и неточные показания датчиков.
В исследовании 2024 года, опубликованном в Science Advances, удалось обеспечить мониторинг в течение восьми дней с помощью газопроницаемого пластыря. Он был тонким (около 10 микрон) и укреплен наносетью из полиуретана. Он работал, но оставался узкоспециализированным решением.
Новая команда из MIT пошла другим путем. Опубликованная в журнале Nature, их методика предусматривает создание воздушных путей непосредственно в массе гидрогеля. При этом содержание воды не было сокращено: материал на 70% состоит из нее, но пропускает кислород.
«Наш материал преодолевает это ограничение, сохраняя высокое содержание воды и мягкость, которые делают гидрогели комфортными и биосовместимыми», — сказал Сюаньхэ Чжао из MIT.
Это звучит как невозможное. Вода блокирует воздух. Воздух блокирует воду.
Здесь все иначе.
Как инженеры MIT создали «легкоподобный» гидрогель
В чем секрет? Силикагель-аэрогель.
Представьте силикагель-аэрогель как «твердый воздух». Это нанопористый материал, отталкивающий воду. При добавлении в стандартную рецептуру гидрогеля эти частицы сбиваются в комки, формируя трехмерную сеть.
Эта сеть создает микроскопические каналы, заполненные воздухом.
Вода не попадает в эти каналы, а кислород свободно проходит сквозь них.
В лабораторных испытаниях материал достиг проницаемости для кислорода 185 барр. Для сравнения: это в десять раз лучше, чем у традиционных гидрогелей.
Материал также справляется с водяным паром. Гидрогель испаряет влагу в 10–100 раз быстрее, чем силиконовые пластыри. Ваша кожа может дышать.
Прочность важна для носимых устройств. Материал выдержал 10 000 циклов растяжения, сохраняя 95% пропускной способности воздуха. Для чего-то, состоящего преимущественно из воды, это впечатляющая прочность.
Характеристики дышащего гидрогеля в реальных условиях
Лабораторные цифры хороши, но реальный пот — это хаос.
Исследователи из MIT протестировали пластыри во время физических упражнений, сравнив новый гидрогель с коммерческими силиконовыми аналогами.
Результаты были налицо.
После 20-минутной тренировки инфракрасные камеры показали, что кожа под силиконовым пластырем нагрелась на 6,5 градуса Цельсия. Под ним скапливался пот. Выглядело это не слишком привлекательно.
Под новым гидрогелем? Температура кожи фактически снизилась на один градус. Тепло уходило, пот не накапливался. Кожа выглядела так же, как и на открытых участках тела.
Комфорт имеет значение. Десять добровольцев носили пластыри на груди в течение часа умеренных физических нагрузок. Зуд, покраснение или раздражение отсутствовали.
Ученые также тестировали материал как электрод для электрокардиограммы (ЭКГ).
Стандартные гидрогелевые электроды теряют четкость сигнала по мере накопления пота: возрастает уровень электрического шума. Новый воздухопроницаемый гидрогель оставался чистым, фиксируя стабильную сердечную активность во время езды на велосипеде, ходьбы, сна и работы.
Добровольцы носили эти пластыри в течение десяти дней подряд. Данные оставались пригодными для использования.
Что ждет технологию дышащих кожных датчиков в будущем
Перспективы обещают быть многообещающими, но продукт еще не готов для клинического применения.
Старший автор исследования Сюаньхэ Чжао четко обозначает препятствия. Долгосрочная биосовместимость требует подтверждения. Необходимы исследования на крупных животных. Нужно разработать процессы стерилизации.
Масштабирование производства — отдельная история.
Срок годности неизвестен. Регуляторное одобрение займет время.
Испытания на людях были небольшими: два человека для проверки физиологии кожи, три для сравнения ЭКГ, десять для оценки комфорта. Это цифры, подтверждающие концепцию, а не данные клинических испытаний.
Кроме того, материал сам по себе не прилипает к коже. Ему нужна основа. Это означает, что он не является самостоятельным пластырем и требует интеграции в существующие конструкции носимых устройств.
Каждое применение имеет свои требования. Средства для перевязки ран нуждаются в других свойствах, чем мониторы сердца.
Станет ли это будущим медицинских имплантатов?
Возможно.
Чжао намекает на более масштабные мечты: инженерия тканей и имплантируемые устройства.
Созданные искусственно ткани часто отмирают из-за нехватки кислорода. Клетки «голодают». Если этот гидрогель сможет доставлять кислород, сохраняя при этом гидратацию клеток, это может изменить хирургию имплантации.
«Многие инженерные ткани и имплантаты требуют эффективных носимых устройств для доставки кислорода, чтобы поддерживать жизнеспособность клеток», — отметил Чжао.
Но имплантаты — это область высоких рисков. Стандарты тестирования здесь гораздо строже.
Пока же следите за применением технологии в носимых устройствах, средствах для перевязки ран и кожных мониторах.
Технология готова к следующему шагу. Только не на ваш прикроватный столик.
Это начало. Дышащее начало.
