Kvėpuojantis hidrogelis odos jutikliams: MIT pažanga

5 Minutės

Maža boružėlė ramiai ilsisi ant plūduriuojančio medžiagos lopinėlio. Tai menkas vaizdas, bet jis rodo didelę idėją: kas, jei ant odos tvirtinami įrenginiai leistų šilumai ir drėgmei pasišalinti taip, kaip plaučiai juda orą?

Nešiojami sveikatos jutikliai, lipnios žaizdų tvarstės ir ilgalaikiai medicininiai pleistrai susiduria su pasikartojančia problema. Jie turi būti ilgai kontaktuose su gyva oda — valandas ar net dienas. Tačiau dauguma šiandien naudojamų minkštų sąsajų yra daug vandens turintys hidrogeliai, kurie sulaiko šilumą ir prakaitą. Rezultatas: sudirgusi oda, sumažintas jutiklių tikslumas ir nepatyrę vartotojai. Masačusetso technologijos instituto (MIT) inžinierių vadovaujama komanda pasirinko kitokį kelią: jie sukūrė masinį hidrogelį, per kurį oro judėjimą užtikrina mikroskopinis stabilus kanalų tinklas, tuo pačiu išlaikant medžiagos 70 procentų vandens kiekį.

Plaučiai hidrogelio struktūroje

Nauja medžiaga pasiskolina architektūrinį sprendimą iš žmogaus plaučių. Vietoje to, kad būtų pasikliaujama labai plona plėvele dujų judėjimui, tyrėjai įprastinį hidrogelio receptą papildė smulkiais, vandeniui atstokančiais silicio aerogelio dalelėmis. Galima šias daleles įsivaizduoti kaip pastovias, kietos formos oro burbulius. Jos neleidžia mažoms ertmėms sugesti ar užsipildyti vandeniu, o gamybos metu savaime sudėliojasi į ploną, tarpusavyje sujungtą oro kelių tinklą.

Tinklą leidžia deguoniui ir vandens garams praeiti per gelį, neaukojant to minkštumo ir drėgmės, dėl kurių hidrogely yra patogūs odai. Laboratoriniais bandymais medžiaga pasiekė deguonies pralaidumo vertes iki 185 barrer, tai reiškia, kad dujos judėjo per masinį gelį daug lengviau nei per standartinį hidrogelį. Paprastai tariant, jis buvo maždaug dešimt kartų pralaidesnis už šiandien plačiai naudojamas medžiagas.

Laikant odą vėsią ir sausą

Kodėl pralaidumas svarbus? Nes sulaikyta šiluma ir prakaitas yra pagrindinės dirginimo ir sulaužytų jutiklių signalų priežastys. MIT komanda palygino savo kvėpuojantį hidrogelį su įprastiniais silikoniniais ir poliuretano pleistrais. Vandens garų praeinamumas per naują gelį buvo nuo dešimt iki šimto kartų didesnis nei per labiau uždarančius pleistrus. Oda išliko arčiau normalaus būklės.

Paprastuose komforto testuose savanoriai sportavo su užklijuotais pleistrais. Infraraudonųjų spindulių skenai parodė, kad po 20 minučių treniruotės odos temperatūra po komerciniu silikono pleistru padidėjo 6,5 laipsnio Celsijaus. Po kvėpuojančio hidrogelio oda atvėso maždaug vienu laipsniu. Po tradicinio pleistro buvo akivaizdus prakaito susikaupimas. Po hidrogelio padengta oda atrodė ir elgėsi panašiai kaip neuždengta oda.

Atitvarumas taip pat svarbus. Tyrėjai gelį tempė daugybę kartų. Po dešimties tūkstančių ciklų jo oro pralaidumas išliko maždaug 95 procentų. Toks atsparumas rodo, kad kanalai yra mechaniniu požiūriu stabilūs ir ne panašūs į trapų laboratorinį eksperimentą.

Boružėlė ilsisi ant naujo oro pralaidaus hidrogelio, plūduriuojančio ant vandens.

Nuo elektrodo iki ilgalaikio stebėjimo

Komanda demonstravo realaus pasaulio pritaikymą paversdama gelį odos elektrodu elektrokardiogramų (EKG) įrašymui. Įprasti hidrogelio elektrodai dažnai praranda signalo kokybę, kai kaupiasi prakaitas ir keičiasi kontaktinė varža. Kvėpuojantys elektrodai užtikrino aiškesnius EKG įrašus tiek per, tiek po dviračio treniruotės, o ilgesnio bandymo metu jie nuolat įrašinėjo naudojamus širdies signalus dešimčiai dienų, kol savanoriai valgė, miegojo, vaikščiojo ir dirbo.

Šie rezultatai žadantys, bet preliminarūs. Žmogaus tyrimai buvo riboto masto. Iki dešimties savanorių vertino treniruotės komfortą, tik du dalyvavo išsamiose odos fiziologijos matavimuose, o trys dalyviai dalyvavo EKG palyginimo pratime. Tyrėjai atvirai nurodo šį apribojimą ir įspėja, kad reikės didesnių ir įvairesnių studijų.

Praktiniai trūkumai ir tolesni žingsniai

„Šios technologijos dažnai reikalauja ilgalaikio kontakto su oda, tačiau įprasti hidrogeliai sulaiko šilumą ir drėgmę, nes neleidžia pakankamai praeiti deguoniui ir vandens garams“, sakė Xuanhe Zhao, straipsnio vyriausiasis autorius ir Masačusetso technologijos instituto mechanikos inžinierius. „Mūsų medžiaga įveikia šį apribojimą, išlaikydama didelį vandens kiekį ir minkštumą, dėl kurių hidrogely yra patogūs ir biokompatibilūs.“

Vis dėlto medžiaga nėra paruošta klinikiniam naudojimui. Lieka svarbūs technologiniai etapai. Komanda įvardija ilgalaikį biokompatibilumo vertinimą, bandymus su didesniais gyvūnais, sterilizacijos metodų kūrimą, mastelio gamybą, tinkamumo saugoti trukmės nustatymą ir reguliavimo saugos patikrinimus kaip darbus, kuriuos reikia užbaigti. Kitas praktiškas niuansas: pats gelis nėra savaime lipnus, todėl bet koks realus prietaisas reikalaus papildomo pagrindo arba tvirtinimo sprendimo.

Skirtingi produktai reikalauja skirtingų pakeitimų. Žaizdų tvarstys turi kontroliuoti infekcijos riziką ir skatinti gijimą. Implantuojamai medžiagai reikės atlaikyti sterilizaciją ir integracijos iššūkius. Nešiojamas širdies stebėjimo prietaisas reikalaus patikimo prilipimo ir nuoseklio elektros kontakto. Pagrindinė kvėpuojančios architektūros idėja turės būti pritaikyta kiekvienam atvejui.

Ekspertų įžvalga

„Idėja įterpti nuolatines, oro sulaikančias daleles hidratuotoje matricoje yra elegantiška, nes ji atskiria dvi konkuruojančias būtinybes: deguonies transportą ir audiniams palankią hidrataciją“, sakė dr. Maya Hart, biomedicinos medžiagų tyrėja iš Stanfordo universiteto. „Nešiojamiesiems monitoriams tai gali sumažinti klaidingus rodmenis ir odos reakcijas. Kalbant apie implantuojamas konstrukcijas, koncepcija nurodo geresnį deguonies tiekimą, tačiau reguliavimo ir biologiniai barjerai čia yra gerokai didesni.“

Platesnės pasekmės

Už nešiojamųjų prietaisų ribų kvėpuojanti architektūra kelia platesnių minčių. Audinių inžinerijoje ir daugelyje implantuojamų konstrukcijų problemos kyla todėl, kad viduje esantys ląstelės negauna pakankamai deguonies. Medžiaga, kuri išlaiko hidratuotą aplinką ir tuo pačiu leidžia pereiti dujoms, galėtų pagerinti inžineruotų audinių išlikimą ir funkciją. Tačiau implantuojamam naudojimui reikės išsamų saugumo testavimą ir greičiausiai metų plėtros.

Čia taip pat yra medžiagų mokslų pamoka. Vietoje nuolat kuriamų vis plonesnių plėvelių, kad būtų išspręstas pralaidumo klausimas, galima sukurti takus medžiagos viduje. Toks poslinkis atveria dizaino galimybes jutikliams, tvarstymams ir galbūt net aktyviems prietaisams, kurie mainytųsi ne tik skysčiais, bet ir dujomis.

Išvada

MIT įkvėptas plaučių struktūros hidrogelis nėra baigtas produktas, bet jis yra aiškus bioįkvėptos inžinerijos pavyzdys, sprendžiantis realią problemą odai tvirtinamų prietaisų srityje. Jis subalansuoja hidrataciją, minkštumą, dujų transportą ir mechaninį atsparumą vienoje medžiagoje. Kelias iki klinikinio priėmimo dar ilgas. Vis dėlto pacientams, sportininkams ir visiems, kurie ilgai nešioja prietaisus, idėja apie tikrai „kvėpuojantį“ pleistrą yra iškart patraukli.