Op nanomateriaal gebaseerde draadloze sensoren kunnen decubitus- en hygiënerisico’s in realtime monitoren

Een onderzoeksteam heeft meegewerkt aan de ontwikkeling van een op nanomateriaal gebaseerd ‘draadloos multi-sensingplatform’ voor de vroege detectie van decubitus, die veel voorkomt bij personen met beperkte mobiliteit, waaronder ouderen en mensen met een handicap. De bevindingen van het team zijn gepubliceerd in Geavanceerde functionele materialen.

Doorligwonden behoren tot de meest pijnlijke aandoeningen die ouderen en gehandicapten treffen in instellingen voor langdurige zorg en revalidatie. Ze zijn het gevolg van aanhoudende druk die het huidweefsel beschadigt, waardoor regelmatige herpositionering en nauwgezette hygiëne essentieel zijn.

Vooral bij patiënten met beperkte mobiliteit kan contact met bioverontreinigingen zoals urine en ontlasting de beschadigde huid verder irriteren en de verwondingen verergeren. In ziekenhuizen maakt een tekort aan zorgverleners of personeel het realtime monitoren van de toestand van patiënten echter uiterst uitdagend.

Momenteel kunnen sensoren op de huid van patiënten worden bevestigd, maar de meeste zijn afzonderlijke apparaten die alleen de druk meten. Bovendien heeft de afhankelijkheid van batterijen met een kleine capaciteit of bekabelde stroom aanzienlijke uitdagingen opgeleverd voor praktisch gebruik in ziekenhuisomgevingen.

Om deze problemen aan te pakken heeft een team onder leiding van dr. Myungwoo Choi van het Korea Electrotechnology Research Institute (KERI), in samenwerking met dr. Donghwi Cho van het Korea Research Institute of Chemical Technology (KRICT) en prof. Yong Suk Oh van de Changwon National University (CWNU), een detectieplatform ontwikkeld dat in staat is meerdere fysiologische signalen te detecteren, waaronder druk, temperatuur en NH₃-gas (ammoniak) tijdens bedrijf. handig via draadloze stroomoverdracht.

De technologie maakt gebruik van een nanomateriaal genaamd kopersulfide (CuS), dat uitstekende antibacteriële en steriliserende eigenschappen heeft.

Het detecteert niet alleen selectief NH₃-gas dat wordt uitgestoten door bioverontreinigingen zoals urine en ontlasting, maar helpt ook huidinfecties te voorkomen en de hygiëne te verbeteren.

Het team van Dr. Choi maximaliseerde de efficiëntie van de sensor door het oppervlak van CuS in een driedimensionale poreuze structuur te plaatsen, waardoor deze snel NH₃-gas kon detecteren, zelfs uit kleine hoeveelheden sporen van bioverontreinigingen die moeilijk met het blote oog te zien zijn.

Een ander voordeel van deze technologie is het sterke kostenconcurrentievermogen in vergelijking met conventionele dure sensoren.

In samenwerking met het Korea Research Institute of Chemical Technology heeft het onderzoeksteam met succes kopersulfide in massa geproduceerd tegen lage kosten door simpelweg commerciële kopervorm (Cu-schuim) onder te dompelen in een zwavel (S)-oplossing. Deze eenvoudige methode verlaagde de kosten per eenheid van het sensormateriaal met meer dan 17 keer vergeleken met bestaande methoden.

Daarnaast heeft het team, in samenwerking met de Changwon National University, een draadloze methode voor energieoverdracht toegepast waarbij de sensor werkt door stroom te ontvangen van apparaten in de buurt, zoals smartphones of NFC-lezers.

Om verschillende biosignalen draadloos te meten, hebben de onderzoekers de fysieke en elektrische structuren van elke sensor nauwgezet ontworpen om interferentie tussen signalen, veroorzaakt door veranderingen in druk en gas, tot een minimum te beperken. Ze ontwikkelden ook onafhankelijk het circuitontwerp en de algoritmen voor draadloze communicatie, waardoor een duidelijke en stabiele signaalverwerving mogelijk was.

Als gevolg hiervan kan de sensor automatisch de toestand van de patiënt bewaken door simpelweg op de huid te worden bevestigd, zonder afhankelijk te zijn van batterijen met een beperkte capaciteit of lange draden.

Ten slotte demonstreerde het onderzoeksteam de klinische haalbaarheid van de technologie door de sensoren aan vijf patiënten, waaronder hemiplegische patiënten, te bevestigen, met medewerking van Gimhae Hansol Rehabilitation & Convalescent Hospital.

In de ziekenhuisomgeving konden verpleegkundigen en zorgverleners de huidconditie van patiënten in realtime volgen met behulp van smartphones, laptops of tablets, waardoor de vroege preventie van decubitus werd vergemakkelijkt en de werkefficiëntie in de patiëntenzorg aanzienlijk werd verbeterd.

Dr. Choi zei: “We hebben een zeer efficiënt materiaal ontwikkeld dat selectief ammoniak kan detecteren onder de gassen die bij kamertemperatuur door het menselijk lichaam worden uitgestoten, zonder een externe energiebron, en dit markeert ’s werelds eerste toepassing van een dergelijk materiaal in een draadloos sensorplatform.”

Hij voegde eraan toe: “Het is een werkelijk betekenisvol voorbeeld van succesvolle samenwerking tussen de academische wereld, onderzoeksinstituten en ziekenhuizen.”

Het team is van plan zijn diagnostische mogelijkheden uit te breiden, naast decubitus, en ook huidvocht, pH-waarden en melkzuurconcentratie te omvatten. Het instituut wil ook zijn R&D-inspanningen voortzetten om ervoor te zorgen dat het draadloze sensorplatform op grote schaal kan worden gebruikt bij chronische wondbehandeling, vroege detectie van infecties en revalidatiezorg.

Bovendien probeert het team de technologie te ontwikkelen tot een slim gezondheidszorgplatform dat zowel de medische als de industriële sector betrekt door op AI gebaseerde ziekterisicovoorspellings- en automatische waarschuwingssystemen te ontwikkelen, en door ziekenhuiscloudnetwerken en thuiszorgsystemen met elkaar te verbinden.