California San Diego Üniversitesi’ndeki mühendisler, glikoz, alkol veya kafein seviyelerini ve ayrıca sürekli olarak kan basıncını ve kalp atış hızını izlemek için boyna yapışabilen yumuşak, esnek bir giyilebilir bir teknoloji geliştirdiler.
Bu cihaz insan vücudundaki kardiyovasküler sinyalleri ve birden çok biyokimyasal verileri aynı anda izleyen ilk giyilebilir cihazdır. Lu Yin, “Bu tür bir giyilebilir cihaz, kişilerin kendi sağlıklarını daha düzenli olarak izlemelerini yararlı olabilir hatta belirli hastalıkları olan insanların kendilerini kontrol etmelerini kolaylaştırabilir.” dedi.
Lu Yin kim derseniz kendisi, nanomühendislik üzerine doktora yapmakta olan San Diego’da öğrenci ve şubat ayında yayınlanan çalışmanın ortak ilk yazarı. Ayrıca bu abimiz, “Özellikle COVID-19 salgını sırasında, insanlar kliniğe yüz yüze ziyaretleri en aza indirirken, uzaktan hasta izleme için harika bir aracı görevi görecektir.” diyor.
Böyle bir cihaz, COVID-19 ile ciddi şekilde hasta olma riski yüksek olan yüksek tansiyon ve diyabetli bireylere fayda sağlayabilir. Ayrıca, kan basıncında ani bir düşüş ve laktat seviyesinde hızlı bir yükselme ile karakterize edilen sepsisin başlangıcını tespit etmek için de kullanılabilir.
UC San Diego’da nanomühendislik profesörü ve çalışmanın ortak yazarı olan Joseph Wang, “Buradaki yenilikteki özel olan şey, sensörleri alıp bunları bir damga kadar küçük tek bir küçük platformda birleştirmemizdir.” dedi. “Bu giyilebilir cihazla çok fazla bilgi toplayabiliriz. Bunu, günlük aktivitede rahatsızlığa veya kesintiye neden olmayacak bir şekilde gerçekleştirebiliriz.” diyor.
Bu yeni giyilebilir teknoloji;
Wang’ın yönetici olarak görev yaptığı San Diego Giyilebilir Sensörler Merkezi’ndeki iki öncü çabanın bir ürünü. Wang’ın laboratuvarı vücutta aynı anda birden fazla sinyali izleyebilen giyilebilir cihazlar geliştirmeye çalışıyordu.
Başarılı oldu da diyebiliriz. San Diego nanomühendislik profesörü Sheng Xu’nun laboratuvarında, araştırmacılar, vücudun derinliklerindeki kan basıncını izleyebilen yumuşak, esnek elektronik teknolojiler geliştiriyorlar.
Araştırmacılar güçlerini birleştirerek, kimyasal algılamayı (glikoz, laktat, alkol ve kafein) ve kan basıncı izleme ile birleştiren ilk esnek, gerilebilir giyilebilir cihazı yarattılar.
Çalışmanın ortak yazarlarından Xu, “Her sensör fiziksel veya kimyasal bir değişikliğin ayrı bir resmini sunuyor. Hepsini tek bir giyilebilir cihaza entegre etmek, vücudumuzda neler olup bittiğine dair daha kapsamlı bir bakış elde etmek için bu farklı resimleri bir araya getirmemizi sağlıyor” dedi.
Cihazı boyuna takmanın maksimum verimliliği sağlayacağı söyleniyor
Cihaz, cilde yapışabilen ince bir esnek polimerler tabakadan oluşur. Bir kan basıncı sensörü ve iki kimyasal sensöre sahiptir. Bu sensörlerden biri laktat seviyelerini (fiziksel eforun bir biyobelirteci), terdeki kafein ve alkolü, diğeri ise interstisyel sıvıda glikoz seviyelerini ölçen özelliğe sahiptir.
Cihaz, her sensörden birer tane olmak üzere üç parametreyi aynı anda ölçebilir: kan basıncı, glikoz ve laktat, alkol veya kafein. Aynı zamanda doktora yapan Yin, “Teorik olarak hepsini aynı anda tespit edebiliriz. Ancak bu farklı bir sensör tasarımı gerektiriyor” dedi. Belki önümüzdeki yıllarda hatta ne yılları belki aylar sonra bu teknolojiler de hayatımıza girer.
Kan basıncı sensörü, cihazın merkezine yakın bir yerde bulunur. Yamanın üzerine iletken bir mürekkeple kaynaklanmış bir dizi küçük ultrason dönüştürücüsünden oluşur. Dönüştürücülere uygulanan voltaj, vücuda ultrason dalgaları göndermelerine neden olur. Ultrason dalgaları bir arterden sıçradığında, sensör ekoları algılar ve sinyalleri bir kan basıncı okumasına çevirir.
Kimyasal sensörler;
Yamanın üzerine iletken mürekkeple ekrana basılmış iki elektrottur. Laktat, kafein ve alkolü algılayan elektrot yamanın sağ tarafına yerleştirilmiştir; terletmek için pilokarpin isimli bir ilacı cilde bırakır. Sonrasında terdeki kimyasal maddeleri tespit ederek işlevini yerine getirir.
Glikozu algılayan diğer elektrot sol tarafa yerleştirilmiştir; deriden hafif bir elektrik akımı geçirerek interstisyel sıvıyı serbest bırakarak ve bu sıvının içindeki glikoz seviyesini tespit ederek çalışır.
Araştırmacılar, kan basıncını etkiledikleri için bu belirli biyobelirteçleri test ediyorlardı. Nanomühendislik doktorası olan ve Wang’ın laboratuarındaki bir öğrenci olan Juliane Sempionatto, “Bize daha doğru, daha güvenilir bir kan basıncı ölçümü sağlayacak parametreleri seçtik.” diyor.
“Diyelim ki kan basıncınızı izliyorsunuz ve gün içinde ani artışlar görüyorsunuz ve bir şeylerin yanlış olduğunu düşünüyorsunuz. Ancak bir biyobelirteç, bu ani artışların alkol veya kafein alımından kaynaklanıp kaynaklanmadığını söyleyebilir.” dedi.
Testlerde denekler, aşağıdaki görevlerin çeşitli kombinasyonlarını gerçekleştirirken boyunlarına bu cihazları taktılar. Bisiklette egzersiz yapmak, yüksek şekerli bir yemek yemek, alkollü bir içecek içmek ve kafeinli bir içecek içmek gibi testlere girdiler.
Cihazdan alınan ölçümler, tansiyon manşonu, kan laktat ölçer, glikometre ve alkol ölçer gibi izleme cihazları tarafından toplanan bilgilerle yüksek oranda eşleşti. Kullanıcıların kafein seviyelerinin ölçümleri, laboratuarda kafein eklenmiş ter numunelerinin ölçümleriyle doğrulandı. Güncellenmiş mevcut prototipinin bir masaüstünde bir makineye ve güç kaynağına bağlanması gerekiyor.
Mühendisliğinde Yaşanan Zorluklar
Cihazı yapmanın en büyük zorluklarından biri, sensörlerin sinyalleri arasındaki paraziti ortadan kaldırmaktı. Bunu yapmak için, araştırmacıların kan basıncı sensörü ile kimyasal sensörler arasındaki en uygun boşluğu bulması gerekiyordu. Cihazı mümkün olduğunca küçük tutarken bir santimetrelik boşluğun sıkıntı yaptığını fark ettiler.
Araştırmacılar ayrıca kimyasal sensörleri fiziksel olarak kan basıncı sensöründen nasıl koruyacaklarını bulmalıydı. İkincisi, doğru sonuçlar elde etmek için normalde sıvı ultrason jeli ile donatılmış olarak gelmesi gerekir.
Ancak kimyasal sensörler ayrıca kendi hidrojelleri ile donatılmıştır. Sorun şu ki, kan basıncı sensöründen gelen herhangi bir sıvı jel dışarı akarsa ve diğer jellerle temas ederse, sensörler arasında parazite neden olacaktır. Bunun yerine, araştırmacılar, sıvı versiyonun yanı sıra işe yarayan ancak sızıntısı olmayan katı bir ultrason jeli kullandılar.
Nanomühendislik doktorası olan ve Xu’nun laboratuarında bir öğrenci olan Muyang Lin, “Doğru malzemeleri bulmak, genel düzeni optimize etmek, farklı elektronikleri sorunsuz bir şekilde bir araya getirmek bu zorlukların üstesinden gelmek çok zaman aldı” dedi. “Laboratuvarımız ve Profesör Wang’ın laboratuvarı arasında bu harika işbirliğine sahip olduğumuz için şanslıyız. Bu projede onlarla birlikte çalışmak çok zevkliydi.”
Sonraki Aşamalar
Ekip, bu teknolojinin daha fazla sensör içeren yeni bir sürümü üzerinde çalışıyor. Sempionatto, “çeşitli hastalıklarla ilişkili diğer biyobelirteçlerin yapılması için fırsatlar var. Bu cihaza daha fazla klinik değer katmak istiyoruz” dedi. Önümüzdeki çalışmalarında, tansiyon sensörünün elektronik parçalarının küçültülmesini de planladıklarını söylediler.
Şu anda, sensörün verdiği çıktıları görüntülemek için bir güç kaynağına ve bir masaüstü makineye bağlanması gerekiyor. Nihai hedef, bunların hepsini tek bir cihaza koymak ve her şeyi kablosuz hale getirmektir.
Lin, “Tamamen giyilebilir eksiksiz bir sistem yapmak istiyoruz” dedi.
Çeviri: Meriç ÇAPAR
Reference: “An epidermal patch for the simultaneous monitoring of haemodynamic and metabolic biomarkers” by Juliane R. Sempionatto, Muyang Lin, Lu Yin, Ernesto De la paz, Kexin Pei, Thitaporn Sonsa-ard, Andre N. de Loyola Silva, Ahmed A. Khorshed, Fangyu Zhang, Nicholas Tostado, Sheng Xu and Joseph Wang, 15 February 2021, Nature Biomedical Engineering.
DOI: 10.1038/s41551-021-00685-1
This research was supported by the UC San Diego Center of Wearable Sensors and the National Institutes of Health (grant no. 1R21EB027303-01A1).
