Flexibele koolstofnanobuisjes die in kleding zijn geweven, verzamelen nauwkeurige ECG, hartslag

Het is niet nodig om ongemakkelijke smartwatches of borstbanden aan te trekken om je hart in de gaten te houden als je comfortabele shirt het beter doet.

Dat is het idee achter ‘slimme kleding’, ontwikkeld door een laboratorium van de Rice University, dat zijn geleidende nanobuisdraad gebruikte om functionaliteit in gewone kleding te weven.

Het Brown School of Engineering-lab van chemisch en biomoleculair ingenieur Matteo Pasquali meldde in het tijdschrift American Chemical Society: Nano-letters dat het nanobuisvezels in atletische kleding naaide om de hartslag te controleren en een continu elektrocardiogram (EKG) van de drager te maken.

De vezels zijn net zo geleidend als metalen draden, maar wasbaar, comfortabel en veel minder snel kapot als een lichaam in beweging is, aldus de onderzoekers.

Over het algemeen was het shirt dat ze verbeterden beter in het verzamelen van gegevens dan een standaard borstbandmonitor die tijdens experimenten live metingen verricht. In combinatie met commerciële medische elektrodemonitors gaf het koolstofnanobuis-shirt iets betere ECG’s.

“Het shirt moet strak tegen de borst zitten”, zegt Rice afgestudeerde student Lauren Taylor, hoofdauteur van het onderzoek. “In toekomstige studies zullen we ons concentreren op het gebruik van dichtere stukjes koolstofnanobuisdraden, zodat er meer oppervlakte is om in contact te komen met de huid.”

De onderzoekers merkten op dat nanobuisvezels zacht en flexibel zijn en dat kleding waarin ze zijn verwerkt, in de machine kan worden gewassen. De vezels kunnen net als standaardgaren machinaal in stof worden genaaid. Door het zigzagsteekpatroon kan de stof uitrekken zonder ze te breken.

De vezels zorgden niet alleen voor een stabiel elektrisch contact met de huid van de drager, maar dienden ook als elektroden om elektronica zoals Bluetooth-zenders aan te sluiten om gegevens door te sturen naar een smartphone of om verbinding te maken met een Holter-monitor die in de zak van een gebruiker kan worden opgeborgen, zei Taylor.

Pasquali’s laboratorium introduceerde in 2013 koolstofnanobuisjesvezels. Sindsdien zijn de vezels, die elk tientallen miljarden nanobuisjes bevatten, onderzocht voor gebruik als bruggen om beschadigde harten te herstellen, als elektrische interfaces met de hersenen, voor gebruik in cochleaire implantaten, als flexibele antennes en voor auto- en ruimtevaarttoepassingen. Hun ontwikkeling maakt ook deel uit van de Rice-based Carbon Hub, een multi-universitair onderzoeksinitiatief onder leiding van Rice en gelanceerd in 2019.

De oorspronkelijke filamenten van nanobuisjes, met een breedte van ongeveer 22 micron, waren te dun voor een naaimachine om te hanteren. Taylor zei dat een touwslager werd gebruikt om een ​​naaibare draad te maken, in wezen drie bundels van elk zeven filamenten, geweven tot een grootte die ongeveer gelijk is aan gewone draad.

“We werkten samen met iemand die kleine machines verkoopt die zijn ontworpen om touwen voor modelschepen te maken”, zegt Taylor, die aanvankelijk probeerde de draad met de hand te weven, met beperkt succes. “Hij was in staat om van ons een middelgroot apparaat te maken dat hetzelfde doet.”

Ze zei dat het zigzagpatroon kan worden aangepast om rekening te houden met hoeveel een shirt of andere stof waarschijnlijk zal uitrekken. Taylor zei dat het team samenwerkt met Dr. Mehdi Razavi en zijn collega’s van het Texas Heart Institute om erachter te komen hoe het contact met de huid kan worden gemaximaliseerd.

Vezels die in stof zijn geweven, kunnen volgens de onderzoekers ook worden gebruikt om antennes of LED’s in te bedden. Door kleine aanpassingen aan de geometrie van de vezels en de bijbehorende elektronica kan kleding uiteindelijk de vitale functies, krachtinspanning of ademhalingsfrequentie controleren.

Taylor merkte op dat andere mogelijke toepassingen mens-machine-interfaces voor auto’s of zachte robotica kunnen zijn, of als antennes, gezondheidsmonitors en ballistische bescherming in militaire uniformen. “Een paar jaar geleden hebben we met een medewerker aangetoond dat koolstofnanobuisjes beter zijn in het afvoeren van energie per gewicht dan Kevlar, en dat was zonder enige winst die we sindsdien hebben gehad in treksterkte,” zei ze.

“We zien dat dit materiaal, na twee decennia van ontwikkeling in laboratoria over de hele wereld, in steeds meer toepassingen werkt”, zei Pasquali. “Vanwege de combinatie van geleidbaarheid, goed contact met de huid, biocompatibiliteit en zachtheid, zijn koolstofnanobuisjes een natuurlijk onderdeel van wearables.”

Hij zei dat de draagbare markt, hoewel relatief klein, een ingang zou kunnen zijn voor een nieuwe generatie duurzame materialen die kunnen worden verkregen uit koolwaterstoffen via directe splitsing, een proces dat ook schone waterstof produceert. De ontwikkeling van dergelijke materialen is een focus van de Carbon Hub.

“We bevinden ons in dezelfde situatie als zonnecellen een paar decennia geleden”, zei Pasquali. “We hebben applicatieleiders nodig die een aantrekkingskracht kunnen uitoefenen op het opschalen van de productie en het verhogen van de efficiëntie.”