生命体征

可以有一些医院视觉一样痛苦小,无助的人性,竖立着胶带,管子和电线,他们花前几天或几周早产儿的生命单位。

材料科学家约翰·罗杰斯西北大学在美国有一个计划摆脱繁琐并良好的硬件。他将所有必要的传感器纳入柔软、灵活、无线电子补丁,粘在皮肤上。宝宝更舒适,更方便护理人员,一个障碍移除键的婴儿及其父母。

我们试验婴儿用一双据替换所有笨拙的硬件设备,在胸部和脚,取代所有的生命体征监测,”罗杰斯说。对于某些应用程序我们得到非常接近生产相匹配的忠诚测量临床黄金标准。

“新生儿室是一个非常苛刻的环境中,”罗杰斯补充道。如果你可以得到一个设备,批准和成功,你所做的事情。”

不仅仅是专业临床设置罗杰斯目标是可穿戴传感器。我们的愿景是一般人会有其中一个,”他说。大道罗杰斯和一群越来越多的其他研究人员正在研究可穿戴,粘贴上去的sweat-sampling补丁、无创性利用实时biomarker-rich读出你的健康。

开发新材料对人类健康是比开发一种新的更令人满意的显示装置

约翰·罗杰斯,西北大学

和这些设备的核心——事实上,在外围——化学。从柔软和灵活的生物相容性壳,lap-on-a-chip风格微流体处理分钟biofluid样品,生化传感器,监测它所包含的生物标志物,以及灵活的电子产品,将数据无线传输到你的智能手机:“化学是整件事的中心,”说杰森Heikenfeld这部小说,设备在美国辛辛那提大学的实验室。

灵活的朋友

物理化学家通过训练,这是一个博士后工作在1990年代中期在麻省理工学院的实验室的George Whitesides让罗杰斯当前职业轨迹可穿戴若技术——尽管是间接的。我们是发展中基本的化学方法对模式和精密加工,为柔性聚合物电子设备——主要是灵活的显示,”罗杰斯回忆说。

几年后在贝尔实验室工作,2003年罗杰斯回到学术界,不久之后,讲了他灵活的电子设备在宾夕法尼亚大学的电子工程系。”后一些人上来跟问如果我们可以使用相同的技术来映射大脑电活动,”罗杰斯说。这是我第一次同样的平台可能是有用的在临床医学中,生理学等。

'我和我的学生,为设备,开发新材料和化学反应可能会有一些对人类健康的有益影响更多的满足于开发一种新的显示工具,”他解释说。

团队开始通过开发灵活的无线传感器能够测量物理参数如大脑的电活动,心脏和肌肉。罗杰斯的主要工作已经skin-patch-based设备的发展,尽可能,匹配的物理性质的皮肤,对佩戴者舒适,因为它允许更亲密,健康参数的精确测量。

我们一起工作在芝加哥康复单元监测中风病人的康复,”罗杰斯说。使用三个补丁停留在身体不同的地方,设备捕获全身运动学和肌肉活动监控病人流动中风后恢复的进展。每个传感器结合肌电图传感器测量肌肉电信号,再加上三轴个加速器测量身体运动本身。这真的只有如果你有亲密的皮肤软接口和设备兼容和皮肤兼容,”罗杰斯说。”,本质上就是化学挑战,如何使电子产品更像生物学,是什么材料,允许你这么做?这些问题的答案不来自电气工程社区,相信我。”

各种聚合物的家庭已经部署,柔软,灵活,ultra-thin-film形式,作为平台智能皮肤补丁了。每个聚合物的特殊配方,适合应用程序,是成功的关键设备。与传统的现成的材料,很有挑战性,”Heikenfeld说。

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高雄,染谷伸一说东京大学

一些更有前途的基于有机硅弹性体,如聚二甲基硅氧烷(PDMS)。而不是碳链,这些材料是由硅和氧原子交替,为这种类型的应用程序提供了一个优势。而碳碳键相当短,刚性,硅氧键仍然强劲,但更长和更灵活,使这些聚合物stretchiness固有的支柱。这种灵活性可以进一步定制通过调节聚合物交联的程度和填料的结合。PDMS也是气体渗透,使它更舒适对皮肤穿。

到聚合物基质,电子电路和传感器被放置,必须自己flex与聚合物骨干相协调。罗杰斯已经使用其中一种方式是形式传统导电材料如硅或砷化镓薄,蜿蜒蛇形nanoribbons,延伸像盘绕的二维版本flex用来连接电话手机。¹小电极纳入这个电路可以记录身体内的电活动,例如。这些信息可以通过将无线发送到接收器射频线圈甚至蓝牙芯片补丁。

选择导电回路选择测试到目前为止包括弹性超薄金属制成的“衬托”,石墨烯的导电聚合物,甚至metal-doped条。

罗杰斯在十年后进入本研究空间,实际设备,如新生儿监视器和康复传感器,也开始出现。我们发现很好如何衡量physics-related参数如压力、流量和温度和电势,”罗杰斯说。但真正的身体语言是生物化学。

出汗的解决方案

高雄Someya东京大学,她发明了大面积传感器基于可打印、导电有机材料,正在间接的方法来监测人体生物化学。的最重要的传感器的可靠性和再现性,和汗水含有很多肮脏的化学物质,可以降低传感器很快,”他说。

尽管是一块粘贴上去的只有3µm厚,的设备包含有机发光dioides染谷伸一说和有机光电探测器监测血氧水平的能力。²光照射在皮肤上和检测波长的光反射回测量血液中血红蛋白的比例,氧气的含量都很高。我们发现光的折射但收集化学信息,”他说。研究小组目前正在评估其他生物分子,可以测量。

但其他研究人员正准备弄脏和样本biofluids直接。“我们试图做的是开发这些据电子设备支持,但也有能力操纵,捕获、存储和做化学分析biofluids,”罗杰斯说。

但biofluid样品吗?Heikenfeld研究这个问题时,他最初进入这个领域。我们介入,因为我们已经与美国空军多年以前的项目,和他们使用想要做持续的监控飞行员,”他解释说。“我们试图监控任何与身心相关的性能。我们开始很开放式的思维可能是最好的机会——我们每biofluid看着。”

的起点是采样非侵入性,排除血液。唾液原来包含太多的污染是有用的。的眼泪是有趣的但你不想把太多电子和微流体到眼球。“离开若汗水——流体的可穿戴化学界似乎已经聚集在。发表的一系列论文在过去12个月说明了承诺,以及挑战,若出汗。

汗水是相对简单的示例使用一块粘贴上去的。它是一个复杂的流体包含许多有用的生物标志物浓度随生理上的相关性。这些包括小分子和离子如葡萄糖,乳酸,钠,钾,氯,和激素等较大的分析物和蛋白质的汗水在已知浓度相关比率与血液中的浓度。

最早的街区Dae-Hyeong金罗杰斯实验室的前成员经营转化伟创力在韩国首尔国立大学的实验室。金实验,开发了一个可穿戴电子贴片糖尿病控制。³不仅补丁样本汗水得到病人的血糖阅读,但在测试糖尿病小鼠补丁交付的药物二甲双胍降低血糖水平,当传感器检测到一个血糖峰值。

汗水抽样发生一侧金正日的设备。汗水是交付给包含葡萄糖氧化酶的室。这是葡萄糖选择性汗水甚至在其他代谢产物乳酸和抗坏血酸等;葡萄糖转化为过氧化氢催化作用。感官掺金石墨烯电极的电化学变化随着过氧化氢生产上升和下降。温度和pH值可能倾斜传感器的输出,所以对这些参数传感器也纳入正确灵活的补丁,葡萄糖读数。

另一边的设备处理药物输送时血糖水平超过一个阈值。降糖药物二甲双胍是加载到一个微数组,这本身就是嵌入在相变材料,十三酸,融化41°C以上。gold-graphene加热器网这种材料会液化,露出皮肤微。老鼠,设备成功地降低了动物的血糖水平。

我们的系统是舒适、无痛、无压力,”金说。团队目前正在改善设备的精度、glucose-sensing一边和剂量的药物管理在交付方面。

没有汗水

但是有一个基本的问题监控汗水。每天的大部分时间里,除了当您运行早上公共汽车或摇摆健身房晚上回家的路上,我们大多数人并不很汗。

Heikenfeld有可能解决这个问题,改编自一个老式的方法收集汗水进行实验室分析。人们有一个聪明的主意二十年前把凡士林在皮肤表面,让汗水推进,”他说。这种方法不仅漏斗集合的汗水,汗水不会接触到皮肤表面,这是一个潜在的污染源。

但是你不能随便一个传感器上一层凡士林或其他油性物质,或你将口香糖传感器。Heinekfeld的发展是将一层薄薄的油和传感器之间的聚乙烯醇。⁴汗管的正上方只在地方,汗水已经推动石油、PVA溶解——直接管道汗水的传感器进行分析。

这种方法减少皮肤污染和所需的汗水:而不是使用的汗水去阅读,设备使用nanolitres。但在技术的早期阶段,汗水监控设备的第一个用途可能是精英运动员,在训练——监视性能时产生汗水通常不是一个问题。精英运动员已经在使用汗水分析来优化性能,但汗水必须取样,然后送往实验室进行分析,很难实时阅读,可以用来提供反馈在训练。

2016年初,贾维阿里加州大学伯克利分校在美国公布可佩带的智能腕带的,可以测量各种分析物在出汗运动。⁵一个灵活的传感器阵列构成腕带的一部分,用离子选择性电极,用选择性渗透膜允许特定离子穿过——监控等关键电解质钾和钠,和enzyme-based传感器来测量葡萄糖和乳酸。传统的柔性印刷电路板处理数据和光束通过蓝牙智能手机。

罗杰斯已经采取一个更简单的运动员的汗水传感方法,创建一个微流体平台吸引汗水进入水库,包含改变颜色的染料给读出的pH值,葡萄糖,氯和乳酸浓度。⁶“化学提供的所有功能,使用的颜色变化作为宣读,”罗杰斯说。手机内置的摄像头是无线数据采集系统。”如果你携带打印校准范围内,你甚至不需要电话——你可以只是眼球,他补充道。

“我们试图用最简单的方法,”他补充说,“如果你有一个设备捕获的汗水就好了在成本足够低你可以扔掉它!”

詹姆斯·米切尔乌鸦是一个基于科学作家在墨尔本,澳大利亚