Новый патч для кожи приближает нас к носимому универсальному монитору здоровья

Инженеры из Калифорнийского университета в Сан-Диего разработали мягкую эластичную накладку на кожу, которую можно носить на шее, чтобы постоянно отслеживать артериальное давление и частоту сердечных сокращений, а также измерять уровень глюкозы, а также лактата, алкоголя или кофеина. Это первое носимое устройство, которое одновременно отслеживает сердечно-сосудистые сигналы и несколько биохимических уровней в организме человека.

Такое устройство может принести пользу людям, страдающим высоким кровяным давлением и диабетом, — людям, которые также подвержены высокому риску серьезного заболевания COVID-19. Его также можно использовать для выявления начала сепсиса, который характеризуется внезапным падением артериального давления, сопровождающимся быстрым повышением уровня лактата.

Один мягкий кожный пластырь, способный на все, также может стать удобной альтернативой для пациентов в отделениях интенсивной терапии, в том числе для младенцев в отделении интенсивной терапии, которым необходим постоянный мониторинг артериального давления и других показателей жизнедеятельности. Эти процедуры в настоящее время включают введение катетеров глубоко в артерии пациентов и привязку пациентов к нескольким больничным мониторам.

«Новинка здесь в том, что мы берем совершенно разные датчики и объединяем их вместе на единой платформе размером с марку», — сказал Джозеф Ван, профессор наноинженерии в Калифорнийском университете в Сан-Диего. «С помощью этого носимого устройства мы можем собирать так много информации, и делать это неинвазивным способом, не вызывая дискомфорта и не прерывая повседневную деятельность».

Пластырь представляет собой тонкий лист эластичных полимеров, который может прилегать к коже. Он оснащен датчиком артериального давления и двумя химическими датчиками:один измеряет уровни лактата (биомаркера физической нагрузки), кофеина и алкоголя в поте, а другой измеряет уровень глюкозы в интерстициальной жидкости.

Пластырь способен измерять сразу три параметра, по одному от каждого датчика:кровяное давление, глюкоза, а также лактат, алкоголь или кофеин.

Датчик артериального давления находится в центре пластыря. Он состоит из набора небольших ультразвуковых преобразователей, приваренных к пластырю проводящими чернилами. Напряжение, подаваемое на датчики, заставляет их посылать ультразвуковые волны в тело. Когда ультразвуковые волны отражаются от артерии, датчик улавливает эхо и преобразует сигналы в показания артериального давления.

Химические датчики представляют собой два электрода, напечатанные методом трафаретной печати на пластыре проводящими чернилами. Электрод, воспринимающий лактат, кофеин и алкоголь, напечатан на правой стороне пластыря; он работает, высвобождая в кожу лекарство под названием пилокарпин, чтобы вызвать потоотделение и обнаруживать химические вещества в поте. Другой электрод, воспринимающий глюкозу, напечатан слева; он работает, пропуская слабый электрический ток через кожу, чтобы высвободить интерстициальную жидкость и измерить уровень глюкозы в этой жидкости.

Исследователи были заинтересованы в измерении этих конкретных биомаркеров, потому что они влияют на артериальное давление. «Мы выбрали параметры, которые дали бы нам более точное и надежное измерение артериального давления», — сказала Джулиана Семпионатто, доктор наук в области наноинженерии. студент в лаборатории Ванга.

«Допустим, вы следите за своим артериальным давлением, видите всплески в течение дня и думаете, что что-то не так. Показания биомаркеров могут сказать вам, были ли эти всплески связаны с приемом алкоголя или кофеина. Эта комбинация датчиков может дать вам такую ​​информацию», — сказала она.

В тестах испытуемые носили нашивку на шее при выполнении различных комбинаций следующих задач:занятия на велотренажере; употребление пищи с высоким содержанием сахара; распитие алкогольного напитка; и выпивая напиток с кофеином. Измерения с пластыря точно соответствовали измерениям, полученным с помощью коммерческих устройств для мониторинга, таких как манжета для измерения артериального давления, измеритель уровня лактата в крови, глюкометр и алкотестер. Измерения уровня кофеина у пользователей были подтверждены в лаборатории путем измерения образцов пота с добавлением кофеина.

Одной из самых больших проблем при создании патча было устранение помех между сигналами датчиков. Для этого исследователи должны были определить оптимальное расстояние между датчиком артериального давления и химическими датчиками. Они обнаружили, что расстояние в один сантиметр помогло сделать устройство как можно меньше.

Исследователи также должны были выяснить, как физически защитить химические датчики от датчика артериального давления. Последний обычно оснащен жидким ультразвуковым гелем для получения четких показаний. Но химические датчики также оснащены собственными гидрогелями, и проблема в том, что если какой-либо жидкий гель из датчика артериального давления вытечет и вступит в контакт с другими гелями, это вызовет помехи между датчиками. Поэтому вместо этого исследователи использовали твердый ультразвуковой гель, который, как они обнаружили, работает так же, как и жидкая версия, но без утечки

Команда уже работает над новой версией патча с еще большим количеством датчиков. «Есть возможности для мониторинга других биомаркеров, связанных с различными заболеваниями. Мы стремимся повысить клиническую ценность этого устройства», — сказал Семпионатто.

Текущая работа также включает в себя уменьшение размера электроники датчика артериального давления. Прямо сейчас датчик должен быть подключен к источнику питания и настольному компьютеру для отображения его показаний. Конечная цель — поместить все это в патч и сделать все беспроводным.