Hengittävä hydrogeeli: ihoystävällinen ratkaisu antureille

Pieni leppäkerttu lepää rauhallisesti kelluvalla materiaalin palasella. Se on pieni kuva, mutta se viittaa suureen ajatukseen: entä jos iholle kiinnitettävät laitteet antaisivat lämmön ja kosteuden poistua samalla tavalla kuin keuhkot liikuttavat ilmaa?

Päälle puettavat terveysanturit, adheesiolla kiinnitettävät haavalaastarit ja pitkäkestoiset lääkepatched kohtaavat toistuvan ongelman. Niiden täytyy pysyä ihon kontaktissa tunteja tai päiviä. Nykyiset pehmeät rajapinnat ovat usein vesipitoisia hydrogeelejä, jotka vangitsevat lämmön ja hien. Se johtaa ärsytykseen, anturin tarkkuuden heikkenemiseen ja käyttäjien tyytymättömyyteen. Massachusettsin teknillinen korkeakoulu (MIT) johtama insinööriryhmä on valinnut toisen tien ja suunnitteli massiivisen hydrogeelin, joka kuljettaa ilmaa pienikokoisen, vakaiden kanavien verkon läpi pitäen materiaalin 70 prosenttisesti vesipitoisena.

Keuhko geelissä

Uusi materiaali lainaa arkkitehtonisen tempun ihmisen keuhkoista. Superohuvan kalvon sijaan tutkijat upottivat pieniä, vettä hylkiviä piiaerogeelipartikkeleita perinteiseen hydrogeelireseptiin. Ajattele näitä partikkeleita pysyvinä, kiinteinä ilmakuplina. Ne estävät pienten onteloiden romahtamisen tai veden täyttymisen, ja valmistusvaiheessa ne itsejärjestäytyvät ohueksi, toisiinsa kytkeytyväksi ilmatieverkostoksi.

Verkosto sallii hapen ja vesihöyryn kulkea geelin läpi ilman, että pehmeys ja kosteuspitoisuus, jotka tekevät hydrogeeleistä miellyttäviä ihoa vasten, kärsivät. Laboratoriokokeissa materiaali saavutti hapen läpäisevyysarvoja jopa 185 barrer, mikä tarkoittaa, että kaasu liikkui massiivisen geelin läpi huomattavasti helpommin kuin tavallisessa hydrogeelissä. Yksinkertaisesti sanottuna: se oli noin kymmenen kertaa läpäisevämpi kuin nykyisin käytetyt materiaalit.

Ihon pitäminen viileänä ja kuivana

Miksi läpäisevyys on tärkeää? Koska vangittu lämpö ja hiki ovat pääasiallisia syitä ihoärsytyksiin ja häiriintyneisiin anturisignaaleihin. MIT-ryhmä vertasi hengittävää hydrogeeliään yleisiin silikonija polyuretaanilaastareihin. Vesihöyryn läpäisykyky oli uudessa geelissä kymmenestä sataan kertaa suurempi kuin sulkeutuneemmissa laastareissa. Iho pysyi lähempänä normaalia.

Yksinkertaisissa mukavuustesteissä koehenkilöt harjoittelivat laastareita käyttäen. Infrapunakuvaukset osoittivat, että 20 minuutin harjoituksen jälkeen ihon lämpötila kaupallisen silikonilaastarin alla nousi 6,5 celsiusastetta. Hengittävän hydrogeelin alla ihon lämpötila laski noin yhden asteen. Hien kertymä perinteisen laastarin alla oli ilmeinen. Hydrogeelillä peitetty iho näytti ja käyttäytyi pitkälti paljaan ihon tapaan.

Kestävyys on myös tärkeää. Tutkijat venyttivät geeliä toistuvasti. Kymmenen tuhannen sykliä jälkeen se säilytti noin 95 prosenttia ilmankuljetuskyvystään. Tämä sitkeys viittaa siihen, että kanavat ovat mekaanisesti stabiileja eivätkä vain hauras laboratorioilmiö.

Leppäkerttu lepää uudella hengittävällä hydrogeelillä, kelluen veden pinnalla.

Elektrodeista pitkäaikaiseen seurantaan

Ryhmä esitteli käytännön sovelluksen muuttamalla geelin ihon elektrodiksi elektrokardiogrammitallennuksia varten. Perinteiset hydrogeelielektrodit menettävät usein signaalin laatua hien kertyessä ja kontaktin impedanssin muuttuessa. Hengittävät elektrodit antoivat selkeämpiä EKG-käyriä pyöräilyharjoituksen aikana ja sen jälkeen, ja pidennetyssä testissä ne rekisteröivät käyttökelpoisia sydänsignaaleja jatkuvasti kymmenen päivän ajan samalla kun koehenkilöt söivät, nukkuivat, kävelivät ja työskentelivät.

Nämä tulokset ovat lupaavia mutta alustavia. Ihmistestit olivat pieniä. Enintään kymmenen koehenkilöä arvioi harjoittelun mukavuutta, vain kaksi osallistui yksityiskohtaisiin ihon fysiologian mittauksiin ja kolme koehenkilöä oli mukana EKG-tuloksia vertailevassa pyöräilytestissä. Tutkijat ovat avoimia tästä rajoituksesta ja varoittavat, että laajempia ja monipuolisempia tutkimuksia tarvitaan.

Käytännön aukot ja seuraavat askeleet

"Nämä teknologiat vaativat usein pitkää kontaktia ihoon, mutta perinteiset hydrogeelit vangitsevat lämmön ja kosteuden, koska ne eivät salli riittävää hapen ja vesihöyryn kulkua", sanoi Xuanhe Zhao, artikkelin vastaava kirjoittaja ja koneinsinööri Massachusettsin teknillisessä korkeakoulussa (MIT). "Materiaalimme voittaa tämän rajoituksen samalla kun se säilyttää hydrogeeleille tyypillisen korkean vesipitoisuuden ja pehmeyden, jotka tekevät niistä miellyttäviä ja biokompatibleja."

Materiaali ei kuitenkaan ole vielä kliiniseen käyttöön valmis. Tärkeitä kehitysvaiheita on vielä jäljellä. Ryhmä listaa pitkäaikaisen biokompatibiliteetin, testaukset suuremmilla eläimillä, sterilointimenetelmät, skaalautuvan valmistuksen, varastointiajan arvioinnin ja sääntelyturvallisuuden tehtäväksi. Toinen käytännön yksityiskohta: geeli itsessään ei ole luontaisesti adheesiivinen, joten todellinen laite tarvitsee taustan tai jonkin kiinnitysratkaisun.

Eri tuotetyypit vaativat erilaisia hienosäätöjä. Haavalaastarin täytyy hallita infektioriski ja edistää paranemista. Implantoitavan laitteen on kestettävä sterilisaatio ja integraatiohaasteet. Päällä pidettävän sydänmonitorin täytyy tarjota luotettava kiinnittyminen ja tasainen sähköinen kontakti. Hengittävä arkkitehtuuri vaatii mukautusta jokaiseen käyttötilanteeseen.

Asiantuntijan näkemys

"Ajatus pysyvien, ilmaa sisältävien partikkeleiden upottamisesta nesteytettyyn matriisiin on elegantti, koska se erottaa kaksi kilpailevaa tarvetta: hapen kuljetuksen ja kudosystävällisen kosteutuksen", sanoi tohtori Maya Hart, biolääketieteellisten materiaalien tutkija Stanfordin yliopistossa. "Ihonläheisessä seurannassa tämä voisi vähentää virheellisiä mittauksia ja ihoärsytystä. Implantoitavien kudosten kohdalla konsepti viittaa parempaan hapensaantiin, mutta sääntely- ja biologiset esteet ovat paljon suurempia."

Laajemmat vaikutukset

Hengittävän arkkitehtuurin mahdollisuudet ulottuvat laajemmin kuin vain pukeutuvat anturit. Kudostekniikka ja monet implantoitavat rakenteet epäonnistuvat, koska sisäosissa olevat solut eivät saa tarpeeksi happea. Materiaali, joka säilyttää vesistetyn ympäristön samalla kun se päästää kaasun läpi, voisi parantaa keinotekoisten kudosten selviytymistä ja toimintaa. Kuitenkin implantoitava käyttö vaatii laajaa turvallisuustestausta ja todennäköisesti vuosikymmeniä kehitystä ennen kliinistä käyttöönottoa.

Tässä on myös materiaalitieteen opetus. Superohuiden kalvojen suunnittelun sijaan ongelman voi ratkaista luomalla kulkureittejä massiivisen materiaalin sisään. Tämä muutos avaa suunnittelumahdollisuuksia antureille, laastareille ja mahdollisesti jopa aktiivisille laitteille, jotka vaihtavat sekä kaasua että nesteitä.

Yhteenveto

MIT:n keuhkoista inspiroitu hydrogeeli ei ole valmis tuote, mutta se on selkeä esimerkki bioinspiroitua tekniikkaa, joka vastaa todelliseen haasteeseen iholle kiinnitettävissä laitteissa. Se tasapainottaa kosteuden, pehmeyden, kaasunsiirron ja mekaanisen kestävyyden yhdessä materiaalissa. Tie kliiniseen hyväksyntään on pitkä. Potilaille, urheilijoille ja kaikille, jotka käyttävät laitetta pitkään, ajatus laastarista joka todella antaa ihon hengittää on heti houkutteleva.

Tulokset on julkaistu Nature-lehdessä.