Wetenschappers ontwikkelen een 3D-geprinte epifluïdische elektronische huid

Uit een recente studie gepubliceerd in Wetenschappelijke vooruitganghebben onderzoekers van het California Institute of Technology, onder leiding van Dr. Wei Gao, een door machine learning (ML) aangedreven 3D-geprinte epifluïdische elektronische huid ontwikkeld voor multimodaal gezondheidstoezicht. Dit draagbare platform maakt realtime fysieke en chemische monitoring van de gezondheidsstatus mogelijk.

Draagbare gezondheidsapparaten hebben het potentieel om een ​​revolutie teweeg te brengen in de medische wereld, door realtime tracking, gepersonaliseerde behandelingen en vroege diagnose van ziekten te bieden.

Een van de grootste uitdagingen bij deze apparaten is echter dat ze geen gegevens op moleculair niveau bijhouden, en dat de fabricage ervan een uitdaging is. Dr. Gao legde uit waarom dit als motivatie voor hun team diende.

“Tegenwoordig is er steeds meer onderzoeksinteresse in gepersonaliseerde gezondheidszorg om een ​​revolutie teweeg te brengen in traditionele medische praktijken. Om deze uitdagingen te overwinnen, gebruiken we onze 3D-printtechnologie om essentiële componenten te creëren, zoals fysieke sensoren, chemische sensoren, microfluïdica en supercondensatoren, voor onze draagbare apparaten. platform,” vertelde Dr. Gao aan Phys.org.

Dr. Gao en zijn team hebben precies dat gedaan door de massaproductie te realiseren van een draagbaar platform genaamd e³-skin, die 3D-geprint is op op maat gemaakte materialen.

e³-huid: een 3D-geprinte epifluïdische elektronische huid

De naam e³-huid is afgeleid van “epfluïdische elastische elektronische huid.” Het is een 3D-geprint draagbaar systeem dat continu verschillende fysiologische parameters bewaakt en gedragsreacties voorspelt.

Dr. Gao legde de verschillende componenten van e³-skin, zeggende: “Alle hoofdcomponenten van het draagbare platform, inclusief fysieke sensoren, chemische sensoren, microfluïdica en micro-supercondensatoren voor energieopslag, zouden gemakkelijk kunnen worden voorbereid via extrusie 3D-printen van verschillende functionele materialen.”

Wat stelt de e³-huid apart zijn de 3D-geprinte biochemische sensoren en het microfluïdische systeem. De integratie van 3D-printtechnologie is een cruciaal aspect van de e³-de creatie van de huid.

3D-printen biedt precisie en maatwerk, waardoor onderzoekers essentiële componenten nauwkeurig kunnen ontwerpen en vervaardigen. Dit stroomlijnde de productie en maakte de integratie van complexe structuren en materialen mogelijk, waaronder de 3D-geprinte biochemische sensoren en microfluïdica.

Dr. Gao legde verder uit: “Draagbare biochemische sensoren kunnen cruciale gezondheidsinformatie op moleculair niveau verschaffen. In combinatie met biofysische sensoren kunnen ze uitgebreidere informatie over onze gezondheidstoestand verschaffen.”

Bovendien heeft het gebruik van microfluïdica, de wetenschap van het manipuleren en controleren van kleine hoeveelheden vloeistoffen binnen kleine kanalen of apparaten, hen geholpen de biomarkers in menselijk zweet te analyseren. Microfluïdica kunnen zweet automatisch opwekken door middel van iontoforese, het verzamelen zonder de noodzaak van inspannende activiteit, de verdamping van zweet minimaliseren en real-time biochemische analyse met verse zweetmonsters vergemakkelijken.

ML-ondersteunde draagbare medische technologie

De e³De mogelijkheden van -skin reiken verder dan de hardwarecomponenten. Het integreert ML-algoritmen, die een cruciale rol spelen in de functionaliteit ervan. Maar voordat je je verdiept in ML, is het essentieel om het opmerkelijke materiaal te begrijpen waaruit de e³-huid mogelijk: MXene.

MXene, een familie van 2D-materialen, is een veelzijdig materiaal dat bekend staat om zijn unieke eigenschappen. Waterige Ti₃C₂T_X (MXene) diende als inkt voor het 3D-printen van de verbindingen en biofysische sensoren in de e³-huid.

Het team gebruikte de MXene om een ​​beperking van de huidige draagbare systemen aan te pakken. In de woorden van Dr. Gao: “De meeste huidige draagbare systemen zijn afhankelijk van batterijen, die stijf, omvangrijk en onvoldoende zijn, waardoor frequente vervanging nodig is.”

Om deze beperking aan te pakken, heeft de e³-skin integreert een zonnecel, haalt energie uit omgevingslicht en slaat deze efficiënt op in 3D-geprinte, op MXene gebaseerde micro-supercondensatoren. Deze innovatie maakt een batterijloze, duurzame werking mogelijk voor langdurige gezondheidsmonitoring tijdens dagelijkse activiteiten.

MXene-nanosheets bezitten eigenschappen zoals negatief geladen oppervlakken en hydrofiliciteit, waardoor ze zich kunnen verspreiden en stabiel blijven in water. Dit maakt nauwkeurig printen mogelijk, waarbij MXene-filamenten verstelbare lijnbreedtes hebben en het vermogen hebben om te hechten aan flexibele substraten, zoals de menselijke huid.

Dr. Gao benadrukte verder: “De gedrukte MXene-filamenten kunnen uniforme reeksen vormen met ingewikkelde patronen, waardoor complexe structuren binnen de e kunnen worden gecreëerd.³-huid.”

De veelzijdigheid van MXene strekt zich uit tot temperatuurmeting, waarbij sensoren een negatieve temperatuurcoëfficiënt en slijtagestabiliteit vertonen.

Voor pulsmonitoring vormt MXene, in combinatie met koolstofnanobuisjes, sensoren met aanpasbare schuimontwerpen, die een hoge gevoeligheid en duurzaamheid garanderen. Dit maakt met name betrouwbare radiale pulsmonitoring bij menselijke proefpersonen mogelijk.

Verder is de e³De capaciteiten van de huid strekken zich uit tot het voorspellen van gedragsreacties op alcoholgebruik, wat ze hebben aangetoond. Dr. Gao verklaarde: “In ons geval gebruikten we de e³-huid om informatie over zowel zweetalcohol als vitale functies (zoals hartslag en huidtemperatuur) te verzamelen, wat een uitgebreider inzicht in gedragsreacties oplevert.”

ML analyseert deze gegevens om de reactietijd en de mate van beperking van een individu te voorspellen. Zweetalcohol speelt een cruciale rol bij het voorspellen van de responstijd, terwijl de hartslag een aanvulling vormt op zweetalcohol voor een nauwkeurigere voorspelling van de beperking.

De toekomst van wearables

e³-skin is veelbelovend en combineert het beste van ML, materialen en medicijnen. “E³-skin biedt opwindende mogelijkheden om draagbare biosensoren te ontwikkelen naar praktische toepassingen in de moderne gezondheidszorg”, benadrukt Dr. Gao.

Met zijn voortdurende monitoring van vitale biomarkers en uitgebreide gegevensverzameling heeft het het potentieel om cognitieve en gedragsmatige beperkingen te voorspellen en verschillende gezondheidsaspecten te monitoren.

De gegevens verzameld door de e³-skin kan de gepersonaliseerde gezondheidszorg verbeteren door vroegtijdige waarschuwing, vroege diagnose en tijdige interventie mogelijk te maken om de gezondheidsresultaten te maximaliseren.

Dr. Gao concludeerde door te stellen: “De grote sets gegevens die door dergelijke multimodale draagbare apparaten worden verzameld tijdens dagelijkse activiteiten, in combinatie met moderne ML-algoritmen, kunnen de onderliggende relatie tussen het biomarkerniveau en complexe gezondheidsproblemen achterhalen.

“Daarbij belooft het het veld van draagbare gezondheidsmonitoring opnieuw vorm te geven en datagestuurde gepersonaliseerde gezondheidszorg mogelijk te maken.”