Биоразлагаемый имплантируемый сенсор обеспечивает мониторинг телесных функций в реальном времени

Сенсоры, отслеживающие состояние пациента во время и после медицинских процедур, могут быть дорогими, неудобными и даже опасными. Теперь международная команда исследователей разработала высокочувствительный гибкий газоанализатор, который может быть имплантирован в тело — и после того, как он больше не нужен, безопасно биодеградирует в материалы, поглощаемые телом.

В исследовании исследователи Пенн Стэйт сообщили, что они спроектировали гибкий и имплантируемый сенсор, который может мониторить различные формы оксида азота (NO) и диоксида азота (NO2) в теле. Мониторинг этих типов газов важен, потому что они могут играть либо полезную, иногда вредную роль в здоровье человека.

Оксид азота, например, который производится естественным образом в теле человека, играет важную роль в здоровье, потому что он расслабляет или расширяет сосуды, улучшая кровоток, позволяя кислороду и питательным веществам циркулировать по телу. С другой стороны, воздействие диоксида азота из окружающей среды связано с прогрессированием таких состояний, как хроническое обструктивное легочное заболевание. Оксид азота высокореактивен и может превращаться в диоксид азота при воздействии кислорода.

Команда добавила изюминку в дизайн своего сенсора, сделав его из материалов, которые не просто имплантируемы, гибкие и растяжимые, но и биоразлагаемые. В то время как текущие устройства используются вне тела для мониторинга уровней газов, Чэн сказал, они громоздки и потенциально не так точны, как имплантируемое устройство. Имплантируемые устройства, однако, нужно удалять, что может означать другую операцию. Исследователи изучили дизайн, который не требует удаления.

«Допустим, у вас кардиальная хирургическая операция; монитор снаружи тела может быть недостаточен для обнаружения газа», — сказал профессор Хуанью «Ларри» Чэн. «Может быть, гораздо более выгодно мониторить уровни газа с поверхности сердца или от внутренних органов. Этот газоанализатор имплантируем и биоразлагаем, что является еще одним направлением исследований, над которыми мы работали. Если пациент полностью восстанавливается после хирургической операции, им больше не нужно устройство, что делает биоразлагаемые устройства полезными».

По словам исследователей, все компоненты биоразлагаемы в воде или в телесных жидкостях, но остаются достаточно функциональными для захвата информации об уровнях газа. В этом случае исследователи сделали электрические проводники устройства из магния, а для функциональных материалов они использовали кремний, который также высокочувствителен к оксиду азота. Кремний уникален — это строительный блок современной электроники, считается сверхстабильным и биоразлагаемым. Он может растворяться очень медленно, примерно на один-два нанометра в день, в зависимости от среды. Не только тело может безопасно поглотить все материалы, использованные в устройстве, но они растворяются достаточно медленно, чтобы позволить сенсорам функционировать в теле в период восстановления пациента.

Сенсор тестировался во влажных условиях и водных растворах, чтобы показать, что он может стабильно работать в суровых условиях тела. Команда использовала вычислительные ресурсы суперкомпьютера Roar ICDS для создания компьютерных симуляций, которые могут рассчитывать экстремально малые изменения, вызванные незначительными изменениями формы или деформациями материала. Они основывали свои измерения на сопротивлении, которое может меняться в зависимости от абсорбции газа.

Исследователи говорят, что будущая работа может посмотреть на проектирование интегрированных систем, которые могли бы мониторить другие телесные функции для здорового старения и различных приложений болезней.