カリフォルニア大学サンディエゴ校のエンジニアは、首に装着して血圧と心拍数を継続的に追跡しながら、着用者のブドウ糖、乳酸、アルコール、カフェインのレベルを測定できる、柔らかく伸縮性のある皮膚パッチを開発しました。 これは、人体の心臓血管信号と複数の生化学的レベルを同時に監視する最初のウェアラブルデバイスです。

「このタイプのウェアラブルは、基礎疾患のある人々が定期的に自分の健康状態を監視するのに非常に役立ちます」と、ナノエンジニアリングの博士号を取得したLuYin氏は述べています。 カリフォルニア大学サンディエゴ校の学生であり、15月XNUMX日に公開された研究の共同筆頭著者 ネイチャーバイオメディカルエンジニアリング。 「それはまた、特に人々がクリニックへの直接の訪問を最小限に抑えているCOVID-19パンデミックの間、遠隔患者モニタリングのための素晴らしいツールとして役立つでしょう。」

このようなデバイスは、高血圧と糖尿病を管理している個人、つまりCOVID-19で深刻な病気になるリスクが高い個人に役立つ可能性があります。 また、乳酸値の急激な上昇を伴う血圧の突然の低下を特徴とする敗血症の発症を検出するために使用することもできます。

それをすべて行うことができるXNUMXつの柔らかい皮膚パッチは、血圧やその他のバイタルサインの継続的な監視を必要とするNICUの乳児を含む、集中治療室の患者にとっても便利な代替手段となります。 これらの手順には、現在、患者の動脈の奥深くにカテーテルを挿入し、患者を複数の病院のモニターにつなぐことが含まれています。

カリフォルニア大学サンディエゴ校のナノエンジニアリングの教授であり、研究の共同執筆者であるジョセフ・ワンは、次のように述べています。 「私たちはこのウェアラブルで非常に多くの情報を収集でき、日常の活動に不快感や中断を引き起こすことなく、非侵襲的な方法で収集できます。」

新しいパッチは、Wangがディレクターを務めるUCサンディエゴウェアラブルセンサーセンターでのXNUMXつの先駆的な取り組みの成果です。 Wangの研究室では、体内の複数の信号（化学的、物理的、電気生理学的）を同時に監視できるウェアラブルを開発しています。 また、カリフォルニア大学サンディエゴ校のナノエンジニアリング教授であるSheng Xuの研究室では、研究者たちは、体内の深部の血圧を監視できる、柔らかく伸縮性のある電子皮膚パッチを開発しています。 研究者たちは力を合わせることで、化学センシング（ブドウ糖、乳酸塩、アルコール、カフェイン）と血圧モニタリングを組み合わせた最初の柔軟で伸縮性のあるウェアラブルデバイスを作成しました。

「各センサーは、物理的または化学的変化の個別の画像を提供します。 それらすべてをXNUMXつのウェアラブルパッチに統合することで、これらのさまざまな写真をつなぎ合わせて、私たちの体で起こっていることのより包括的な概要を把握できます」と、この研究の共同執筆者でもあるXu氏は述べています。

すべての取引のパッチ

パッチは、皮膚に順応できる伸縮性のあるポリマーの薄いシートです。 血圧センサーとXNUMXつの化学センサーが装備されています。XNUMXつは乳酸（身体運動のバイオマーカー）、カフェイン、汗のアルコールのレベルを測定し、もうXNUMXつは間質液のグルコースレベルを測定します。

パッチは、血圧、ブドウ糖、乳酸、アルコール、カフェインのXNUMXつのパラメーターを一度に測定できます。 「理論的には、それらすべてを同時に検出できますが、それには異なるセンサー設計が必要になります」と博士号を取得しているYin氏は述べています。 王の研究室の学生。

血圧センサーはパッチの中央近くにあります。 これは、導電性インクによってパッチに溶接された一連の小さな超音波トランスデューサーで構成されています。 トランスデューサーに電圧が印加されると、トランスデューサーは超音波を体内に送ります。 超音波が動脈で跳ね返ると、センサーがエコーを検出し、信号を血圧測定値に変換します。

化学センサーは、導電性インクからパッチにスクリーン印刷されたXNUMXつの電極です。 乳酸、カフェイン、アルコールを感知する電極がパッチの右側に印刷されています。 ピロカルピンと呼ばれる薬を皮膚に放出して汗を誘発し、汗に含まれる化学物質を検出することで機能します。 グルコースを感知するもう一方の電極は左側に印刷されています。 皮膚に穏やかな電流を流して間質液を放出し、その液中のブドウ糖を測定することで機能します。

研究者たちは、血圧に影響を与えるため、これらの特定のバイオマーカーの測定に興味を持っていました。 「私たちは、より正確で信頼性の高い血圧測定を可能にするパラメーターを選択しました」と、共同筆頭著者であるナノエンジニアリングの博士号を取得したJulianeSempionatto氏は述べています。 王の研究室の学生。

「あなたが血圧を監視していて、日中にスパイクが見られ、何かがおかしいと思っているとしましょう。 しかし、バイオマーカーの測定値は、それらのスパイクがアルコールまたはカフェインの摂取によるものかどうかを教えてくれます。 このセンサーの組み合わせにより、そのような種類の情報を得ることができます」と彼女は言いました。

テストでは、被験者は次のタスクのさまざまな組み合わせを実行しながら首にパッチを着用しました。エアロバイクでの運動。 高糖質の食事を食べる。 アルコール飲料を飲む; カフェイン入りの飲み物を飲みます。 パッチからの測定値は、血圧計、血中乳酸計、血糖計、飲酒検知器などの市販の監視装置によって収集されたものとほぼ一致していました。 着用者のカフェインレベルの測定値は、カフェインをスパイクしたラボでの汗サンプルの測定値で検証されました。

エンジニアリングの課題

パッチを作成する際の最大の課題のXNUMXつは、センサーの信号間の干渉を排除することでした。 これを行うために、研究者は血圧センサーと化学センサーの間の最適な間隔を理解する必要がありました。 彼らは、デバイスを可能な限り小さく保ちながら、XNUMXセンチメートルの間隔でうまくいくことを発見しました。

研究者たちはまた、血圧センサーから化学センサーを物理的に保護する方法を理解する必要がありました。 後者は通常、明確な測定値を生成するために液体超音波ゲルが装備されています。 しかし、化学センサーにも独自のヒドロゲルが装備されており、血圧センサーからの液体ゲルが流出して他のゲルと接触すると、センサー間の干渉が発生するという問題があります。 その代わりに、研究者たちは固体の超音波ゲルを使用しました。これは液体バージョンと同様に機能しますが、漏れはありません。

「適切な材料を見つけ、全体的なレイアウトを最適化し、さまざまな電子機器をシームレスに統合します。これらの課題を克服するには多くの時間がかかりました」と、共同筆頭著者であるナノエンジニアリングの博士号を取得したMuyangLin氏は述べています。 徐の研究室の学生。 「私たちの研究室と王教授の研究室の間でこの素晴らしいコラボレーションができて幸運です。 このプロジェクトで彼らと一緒に仕事をするのはとても楽しかったです。」

次のステップ

チームはすでにパッチの新しいバージョンに取り組んでおり、さらに多くのセンサーが搭載されています。 「さまざまな疾患に関連する他のバイオマーカーを監視する機会があります。 このデバイスにさらに臨床的価値を追加することを目指しています」とSempionatto氏は述べています。

進行中の作業には、血圧センサーの電子機器の縮小も含まれます。 現時点では、センサーを電源とベンチトップマシンに接続して、測定値を表示する必要があります。 最終的な目標は、これらすべてをパッチに適用し、すべてをワイヤレスにすることです。

「私たちは完全にウェアラブルな完全なシステムを作りたいと思っています」とLinは言いました。

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論文：「血行力学的バイオマーカーと代謝バイオマーカーを同時にモニタリングするための表皮パッチ。」

この研究は、カリフォルニア大学サンディエゴ校のウェアラブルセンサーセンターと国立衛生研究所（助成金番号1R21EB027303-01A1）によってサポートされました。

出典：https：//bioengineer.org/new-skin-patch-brings-us-closer-to-wearable-all-in-one-health-monitor/