Stick-On Tattoo ersetzt Drähte und Kabel bei der Patientenüberwachung

Ein ultradünnes, aufklebbares Tattoo mit der neuesten Sensortechnologie könnte eines Tages die Masse von Drähten und Kabeln ersetzen, die Patienten mit Maschinen verbinden, um Herzfrequenz und Gehirnwellen zu überwachen. Die neue "elektronische Haut" -Technologie, genannt epidermales elektronisches System (EES), wurde von einem internationalen Team von Wissenschaftlern und Ingenieuren entwickelt, die in der Ausgabe vom 12. August über ihre Arbeit schreiben Wissenschaft.
Das EES ist das Ergebnis einer Zusammenarbeit zwischen der Universität von Illinois in Urbana-Champaign, der Northwestern University und der Tufts University in den USA sowie dem Institut für Hochleistungsrechnen in Singapur und der Dalian University of Technology in China.
Der korrespondierende Autor der Studie, John Rogers, Professor an der Universität von Illinois in Urbana-Champaign, beschreibt die EES als "eine Technologie, die den Unterschied zwischen Elektronik und Biologie verschwimmt".
"Unser Ziel war es, eine elektronische Technologie zu entwickeln, die sich für den Benutzer mechanisch und physiologisch unsichtbar in die Haut integrieren lässt", sagte er der Presse und fügte hinzu, dass die physikalischen Eigenschaften der elektronischen Haut denen der menschlichen Haut entsprechen.
In einer begleitenden Perspektive Artikel in der gleichen Ausgabe von WissenschaftZhenqiang (Jack) Ma, Professorin an der Fakultät für Elektrotechnik und Informationstechnik an der Universität von Wisconsin, Madison, schreibt, dass die "elektronische Haut", die Rogers und seine Kollegen entwickelt haben, nicht nur eine einfachere Überwachung der Patienten ermöglichen wird zuverlässig und unterbrechungsfrei ", sondern löst auch viele Probleme mit aktuellen Systemen, deren komplizierte Verkabelung und Kabel für Patienten und ihre Ärzte unbequem und belastend sind.
Bestehende Technologie ist bereits hochentwickelt und in der Lage, eine Reihe von physiologischen Variablen wie Herzfrequenz, Gehirnwellen und Muskelaktivität zu überwachen, aber das EES bietet eine leichter zugängliche und bequemere Methode, die vernachlässigbare Energie benötigt, und Sensoren verwendet sind fast schwerelos.
Die EES-Geräte enthalten winzige Sender und Empfänger, Miniatursensoren, Leuchtdioden und Netzwerke aus sorgfältig gefertigten Drahtfilamenten.
Die Prototypen sehen aus wie flache, aufklebbare, zierliche Spitzen-Tattoos der modernen Kunst aus Metallfäden und sind etwa so groß wie eine Briefmarke. Tatsächlich ist das elektronische Tattoo auf die Polyester-Rückseite von Stick-On Tattoos integriert.
Da sie so dünn sind (weniger als 50 Mikrometer, dünner als ein menschliches Haar), brauchen sie keinen Klebstoff, um an der Haut zu kleben. Sie nutzen Van-der-Waals-Kräfte, die auf molekularer Ebene wirken und ihnen ermöglichen, zu bleiben stundenlang an Ort und Stelle.
In ihrer Studie fanden die Forscher die Geräte unter idealen Bedingungen bis zu 24 Stunden am Platz.
Da sie sehr wenig Strom benötigen, können die EES-Geräte ihre Energie entweder von streunender oder transmittierter elektromagnetischer Strahlung (über Induktion) und teilweise auch von Miniatur-Solarmodulen beziehen.
Die elektronischen anorganischen Komponenten in den Geräten sind normalerweise ziemlich hart und spröde, aber für das EES haben die Ingenieure sie so entworfen, dass sie schlangenartige mechanische Eigenschaften haben, die es ihnen erlauben, sich zu biegen und zu dehnen, ohne zu brechen.
Co-lead Forscher Yonggang Huang, Joseph Cummings Professor für Bau- und Umweltingenieurwesen und Maschinenbau an der Northwestern University, sagte:
"Die Mechanik hinter dem Design unserer serpentinenförmigen Elektronik macht das Gerät so weich wie die menschliche Haut."
"Außerdem ist das Serpentin-Design sehr nützlich für die Selbstadhäsion an jeder Oberfläche ohne Verwendung von Klebstoffen", fügte er hinzu.
Die selbstklebende elektronische Haut eignet sich besser für Bereiche des Körpers, die häufiger für medizinische und experimentelle Überwachung wie Stirn, Hände, Füße und Brust verwendet werden. Es wird nicht für Regionen wie den Ellenbogen geeignet sein, sagten die Forscher.
Es bringt jedoch einen zusätzlichen Vorteil, dass Bereiche des Körpers, die mit der gegenwärtigen Sensortechnologie, wie dem Hals, schwer zu erreichen sind, jetzt zugänglich sind. In der Tat, das Studium in Wissenschaft beschreibt eine Anwendung, bei der die Forscher das in den Rachen eingeführte Gerät untersuchten, um die Muskelaktivität während des Sprechens zu überwachen.
Die Forscher berichteten, dass das Gerät zu mehr als 90% genau Wörter und Vokabeln interpretierte, die ausreichten, um ein sprachaktiviertes Videospiel zu steuern, so wie es getestet wurde.
Dies deutet auf eine weitere mögliche Anwendung des EES hin, auf die Sprachaktivierung, die beispielsweise Patienten mit Kehlkopferkrankungen helfen könnte, und auf die subvokale Kommunikation, etwa wenn verdeckte Betreiber sprechen könnten, ohne hörbare Geräusche zu machen.
Die Technologie für EES entstand aus den gemeinsamen Bemühungen von Rogers und Huang, flexible Elektronik für Kameras und andere Geräte zu entwickeln, die Komponenten mit komplexen Formen erfordern.
Rogers sagte, sie hätten gerade erst angefangen, an EES zu arbeiten, und wollen es noch viel weiter bringen.
"Auf der technologischen Seite konzentrieren wir uns auf die drahtlose Kommunikation und verbesserte Lösungen für Strom - wie Batterien, Speicherkondensatoren und mechanische Harvestern - um die induktiven und solaren Konzepte zu ergänzen, die wir in der vorliegenden Arbeit vorstellen", sagte Rogers.
Das Team denkt auch über andere medizinische Anwendungen nach, die kleine Sensoren benötigen, wie beispielsweise die Überwachung von Schlafapnoe und Neugeborene. Und später hoffen sie, winzige Geräte zu integrieren, die Flüssigkeiten manipulieren können, um sie als elektronischen Verband oder Streifen elektronischer Haut zu verwenden, der Wunden, Verbrennungen und anderen Hauterkrankungen hilft, schneller zu heilen.
Mittel der National Science Foundation, der US Air Force, des Department of Energy und des Beckman Institute halfen, die Forschung zu finanzieren.
Geschrieben von Catharine Paddock

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