199 – Labor auf einem Pflaster – Nerdy Talk
Neues Hautpflaster bringt uns das tragbare All-In-One-Monitoring ein Stückchen näher
Ingenieure der University of California San Diego (UCSD) haben ein weiches, dehnbares Hautpflaster entwickelt, das am Hals getragen werden kann, um Blutdruck und Herzfrequenz kontinuierlich zu überwachen und gleichzeitig den Glukosespiegel des Trägers sowie Laktat, Alkohol oder Koffein zu messen. Es ist das erste tragbare Gerät, das kardiovaskuläre Signale und mehrere biochemische Werte im menschlichen Körper gleichzeitig überwacht.
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„Diese Art von Wearable wäre sehr hilfreich für Menschen mit Grunderkrankungen, um ihre eigene Gesundheit regelmäßig zu überwachen“, sagt Lu Yin, Doktorand für Nanoengineering an der UC San Diego und Co-Erstautor der Studie, die am 15. Februar in Nature Biomedical Engineering veröffentlicht wurde.
Ein solches Gerät könnte Personen zugutekommen, die mit Bluthochdruck und Diabetes zu kämpfen haben. Es könnte auch verwendet werden, um den Beginn einer Sepsis zu erkennen, die durch einen plötzlichen Blutdruckabfall, begleitet von einem schnellen Anstieg des Laktatspiegels, gekennzeichnet ist.
Ein weiches Hautpflaster, das alles kann, wäre auch eine bequeme Alternative für Patienten auf Intensivstationen, einschließlich Säuglingen auf der Neugeborenenstation, die eine kontinuierliche Überwachung des Blutdrucks und anderer Vitalparameter benötigen. Diese Verfahren erfordern derzeit das Einführen von Kathetern tief in die Arterien der Patienten und das Anbinden der Patienten an mehrere Krankenhausmonitore.
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„Die Neuheit hier ist, dass wir völlig unterschiedliche Sensoren nehmen und sie auf einer einzigen kleinen Plattform zusammenführen, die so klein wie eine Briefmarke ist“, sagte Joseph Wang, Professor für Nanoengineering an der UC San Diego und Mitautor der Studie. „Wir können so viele Informationen mit diesem einem Wearable sammeln und das auf eine nicht-invasive Weise, ohne Unbehagen zu verursachen oder die tägliche Aktivität zu unterbrechen.“
Das neue Pflaster ist ein Produkt zweier Pionierarbeiten des UC San Diego Center for Wearable Sensors, dessen Direktor Wang ist. Wangs Labor hat Wearables entwickelt, die in der Lage sind, mehrere Signale im Körper gleichzeitig zu überwachen – chemische, physikalische und elektrophysiologische. Und im Labor von Sheng Xu (gesprochen: Scheng Su), Professor für Nanoengineering an der UC San Diego, haben Forscher weiche, dehnbare elektronische Hautpflaster entwickelt, die den Blutdruck tief im Körper überwachen können. Mit vereinten Kräften schufen die Forscher das erste flexible, dehnbare, tragbare Gerät, das chemische Sensoren (Glukose, Laktat, Alkohol und Koffein) mit einer Blutdrucküberwachung kombiniert.
„Jeder Sensor liefert ein separates Bild von einer physikalischen oder chemischen Veränderung. Indem wir sie alle in ein tragbares Pflaster integrieren, können wir diese verschiedenen Bilder zusammenfügen, um einen umfassenderen Überblick darüber zu erhalten, was in unserem Körper vor sich geht“, sagt Xu, der auch ein Mitautor der Studie ist.
Ein Pflaster für Alle, Alle für ein Pflaster
Das Pflaster ist eine dünne Folie aus dehnbaren Polymeren, die sich an die Haut anpassen kann. Es ist mit einem Blutdrucksensor und zwei chemischen Sensoren ausgestattet – einer misst den Laktat- (ein Biomarker für körperliche Anstrengung), Koffein- und Alkoholgehalt im Schweiß, der andere den Glukosespiegel in der interstitiellen Flüssigkeit.
Das Pflaster ist in der Lage, drei Parameter auf einmal zu messen, einen von jedem Sensor: Blutdruck, Glukose und entweder Laktat, Alkohol oder Koffein. „Theoretisch können wir alle drei Parameter gleichzeitig messen, aber das würde ein anderes Sensordesign erfordern“, sagt Yin, der auch Doktorand in Wangs Labor ist.
Der Blutdrucksensor sitzt in der Nähe von der Mitte des Pflasters. Er besteht aus einer Reihe kleiner Ultraschallwandler, die durch eine leitfähige Tinte mit dem Pflaster verschweißt sind. Eine an die Wandler angelegte Spannung veranlasst sie, Ultraschallwellen in den Körper zu senden. Wenn die Ultraschallwellen an einer Arterie abprallen, erkennt der Sensor die Echos und wandelt die Signale in einen Blutdruckwert um.
Die chemischen Sensoren sind zwei Elektroden, die im Siebdruckverfahren aus leitfähiger Tinte auf das Pflaster gedruckt werden. Die Elektrode, die Laktat, Koffein und Alkohol erkennt, ist auf der rechten Seite des Pflasters aufgedruckt; sie funktioniert, indem sie ein Medikament namens Pilocarpin (Anm. Zuckerjunkies: Ein Wirkstoff aus der Gruppe der Parasympathomimetika, der in Form von Augentropfen zur Senkung des erhöhten Augeninnendrucks und bei Glaukomen eingesetzt wird.) in die Haut freisetzt, um Schweiß zu induzieren und die chemischen Substanzen im Schweiß zu erkennen. Die andere Elektrode, die Glukose misst, ist auf der linken Seite aufgedruckt; sie funktioniert, indem ein schwacher elektrischer Strom durch die Haut geleitet wird, um interstitielle Flüssigkeit freizusetzen und die Glukose in dieser Flüssigkeit zu messen.
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Die Forscher waren an der Messung dieser speziellen Biomarker interessiert, weil sie den Blutdruck beeinflussen. „Wir haben Parameter gewählt, die uns eine genauere und zuverlässigere Blutdruckmessung ermöglichen“, sagt Co-Erstautorin Juliane Sempionatto, eine Doktorandin im Bereich Nanoengineering in Wangs Labor.
„Nehmen wir an, Sie überwachen Ihren Blutdruck und sehen im Laufe des Tages Spitzen und denken, dass etwas nicht stimmt. Aber ein Biomarker-Messwert könnte Ihnen sagen, ob diese Spitzen auf den Konsum von Alkohol oder Koffein zurückzuführen sind. Diese Kombination von Sensoren kann Ihnen diese Art von Informationen liefern“, sagte sie.
In den Tests trugen die Probanden das Pflaster im Nacken, während sie verschiedene Kombinationen der folgenden Aufgaben ausführten: Training auf einem stationären Fahrrad, Essen einer zuckerreichen Mahlzeit, Trinken eines alkoholischen Getränks und Trinken eines koffeinhaltigen Getränks. Die Messungen des Pflasters stimmten genau mit denen überein, die von kommerziellen Überwachungsgeräten wie einer Blutdruckmanschette, einem Blutlaktatmesser, einem Glukometer und einem Alkoholtester erfasst wurden. Die Messungen des Koffeinspiegels der Träger wurden mit Messungen von Schweißproben im Labor verifiziert, die mit Koffein angereichert waren.
Technische Herausforderungen
Eine der größten Herausforderungen bei der Herstellung des Pflasters war die Vermeidung von Interferenzen zwischen den Signalen der Sensoren. Um dies zu erreichen, mussten die Forscher den optimalen Abstand zwischen dem Blutdrucksensor und den chemischen Sensoren herausfinden. Sie fanden heraus, dass ein Abstand von einem Zentimeter ausreicht, um das Gerät so klein wie möglich zu halten.
Außerdem mussten die Forscher herausfinden, wie sie die chemischen Sensoren physisch vom Blutdrucksensor abschirmen können. Letzterer ist normalerweise mit einem flüssigen Ultraschallgel ausgestattet, um klare Messwerte zu erhalten. Aber die chemischen Sensoren sind auch mit ihren eigenen Hydrogelen ausgestattet, und das Problem ist, dass, wenn irgendein flüssiges Gel aus dem Blutdrucksensor herausfließt und mit den anderen Gelen in Kontakt kommt, es zu Interferenzen zwischen den Sensoren kommt. Also verwendeten die Forscher stattdessen ein festes Ultraschallgel, das ihrer Meinung nach genauso gut funktioniert wie die flüssige Version, aber ohne das Auslaufen.
„Die richtigen Materialien zu finden, das Gesamtlayout zu optimieren und die verschiedenen elektronischen Komponenten nahtlos zu integrieren – diese Herausforderungen haben viel Zeit in Anspruch genommen“, sagt Co-Erstautorin Muyang Lin, Doktorandin im Bereich Nanoengineering in Xus Labor. „Wir können uns glücklich schätzen, dass wir diese großartige Zusammenarbeit zwischen unserem Labor und dem Labor von Professor Wang haben. Es hat so viel Spaß gemacht, mit ihnen gemeinsam an diesem Projekt zu arbeiten.“
Nächste Schritte
Das Team arbeitet bereits an einer neuen Version des Pflasters, eines mit noch mehr Sensoren. „Es gibt Möglichkeiten, andere Biomarker zu überwachen, die mit verschiedenen Krankheiten in Verbindung stehen. Wir wollen diesem Gerät mehr klinischen Wert verleihen“, sagt Sempionatto.
Zu den laufenden Arbeiten gehört auch die Verkleinerung der Elektronik für den Blutdrucksensor. Im Moment muss der Sensor an eine Stromquelle und ein Tischgerät angeschlossen werden, um seine Messwerte anzuzeigen. Das ultimative Ziel ist es, dies alles auf das Pflaster zu packen und alles drahtlos zu machen.
„Wir wollen ein komplettes System entwickeln, das vollständig tragbar ist“, sagt Lin.
(Bild)Quelle: New Skin Patch Brings Us Closer to Wearable, All-In-One Health Monitor
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