Новый носимый датчик обнаруживает еще больше соединений в человеческом поте

Если вы когда-либо сдавали кровь на анализ, будь то для проверки уровня холестерина, функции почек, уровня гормонов, уровня сахара в крови или в рамках общего обследования, вы, возможно, задавались вопросом, почему нет более простого и менее болезненного способа.

Теперь может быть. Группа исследователей из отдела медицинской инженерии им. Чернга Калифорнийского технологического института представила новый носимый датчик, который может обнаруживать в человеческом поте даже незначительные уровни многих обычных питательных веществ и биологических соединений, которые могут служить индикаторами здоровья человека.

Сенсорная технология была разработана в лаборатории Вей Гао, доцента кафедры медицинской инженерии , исследователя Института медицинских исследований наследия и стипендиата Рональда и Джоанн Уилленс. В течение многих лет исследования Гао были сосредоточены на носимых датчиках для медицинских приложений, и эта последняя работа представляет собой наиболее точную и чувствительную итерацию.

«Мы уже делали носимые датчики пота », — говорит он. «Было так много биомаркеров, которые мы хотели обнаружить, но в прошлом не могли. Не было хорошего способа».

Гао говорит, что предыдущие версии его датчиков пота полагались на встроенные в них ферменты для обнаружения ограниченного числа соответствующих соединений. Хотя антитела можно использовать в сенсорах для обнаружения большего количества соединений в низких концентрациях, у этого метода есть большой недостаток: антитела в сенсоре можно использовать только один раз, а это означает, что сенсоры изнашиваются.

Новая сенсорная технология включает в себя то, что Гао называет полимерами с молекулярным отпечатком, которые подобны искусственным многоразовым антителам. Чтобы представить себе, как они работают, представьте себе гипотетический объект в форме знака плюс. Если вы возьмете этот объект и нальете на него силиконовый каучук, дайте каучуку затвердеть, а затем вытащите молекулу из каучука, у вас получится кусок каучука с углублением в форме плюса. Только предметы одинакового размера и формы хорошо поместятся в углублении.

Полимеры с молекулярным отпечатком работают так же, но в гораздо меньших масштабах. Если вы хотите сделать датчик, который может обнаруживать, например, аминокислоту глутамин , вы готовите полимер с молекулами глутамина внутри. Затем с помощью химического процесса удалите глютамин, и у вас получится полимер с отверстиями, точно такими же, как у глютамина.

Инновация Гао заключается в объединении этого специально сформированного полимера с материалом, который может окисляться или восстанавливаться под действием приложенного электрического напряжения при контакте с человеческим потом. Пока эти отверстия в форме глютамина открыты, пот соприкасается с внутренним слоем датчика, и генерируется электрический сигнал. Но когда молекулы глютамина вступают в контакт с полимером, они проскальзывают в те отверстия, которые для них были сделаны.

Схема и изображения носимого биосенсора NutriTrek. a , Циркулирующие питательные вещества, такие как аминокислоты, связаны с различными физиологическими и метаболическими состояниями. b . Схема носимого устройства «NutriTrek», которое позволяет осуществлять мониторинг метаболизма за счет синергетического слияния LEG, RAR и искусственных антител. c , d , схема ( c ) и сборка слоев ( d ) микрофлюидного пластыря NutriTrek для индукции потоотделения, отбора проб и биосенсорного анализа. Т, температура. e , f , изображения гибкого сенсорного пластыря ( e ) и носимой системы с интерфейсом на коже ( f ). Масштабные линейки, 5 мм ( e) и 2 см ( f ). г , Блок-схема электронной системы «НутриТрек». Модули, обведенные красными штрихами, включены в версию умных часов. ЦП, центральный процессор; ПОТ, потенциометрия; In-Amp, инструментальный усилитель; MCU, микроконтроллер; TIA, трансимпедансный усилитель; IP, ионофорез; CE, противоэлектрод; RE — электрод сравнения; WE, рабочий электрод. h , специальное мобильное приложение для отслеживания метаболизма и питания в режиме реального времени. i , умные часы NutriTrek с одноразовой сенсорной накладкой и электрофорезным дисплеем. Шкала баров, 1 см (вверху) и 5 ​​см (внизу). Предоставлено: Nature Biomedical Engineering (2022). DOI: 10.1038/s41551-022-00916-z
По мере того как эти отверстия забиваются молекулами глютамина, меньше пота может контактировать с внутренним слоем, и электрический сигнал становится слабее. Отслеживая этот электрический сигнал, исследователи могут определить, сколько глютамина присутствует в поте. Больше глютамина означает более слабый сигнал. Меньше глютамина приводит к более сильному сигналу.

«Эта уникальная стратегия позволяет нам обнаруживать все девять незаменимых аминокислот и несколько витаминов», — говорит Гао. «Мы можем делать их все непрерывно».

И, в отличие от антител, полимер можно легко «очистить» для повторного использования посредством приложения слабого электрического сигнала, который разрушает молекулу-мишень или освобождает отверстие, в котором она находилась.

Второе нововведение в исследованиях Гао — это использование микрофлюидики, технологии, которая использует крошечные каналы шириной менее четверти миллиметра для манипулирования небольшими количествами жидкости. Микрофлюидика позволяет датчику работать даже при незначительном количестве пота.

По словам Гао, человеческую кожу можно искусственно стимулировать, чтобы молекулы лекарств, доставленных с помощью пота, выделялись потом, но предыдущие датчики требовали большего количества пота и, следовательно, большего тока, что могло быть неудобно для пользователя. Благодаря микрофлюидике и использованию другого типа лекарств датчику теперь требуется меньше пота, а ток, необходимый для генерации пота, может быть очень маленьким.

«Эта микрожидкостная конструкция позволяет нам использовать очень малые токи», — говорит он. «Мы можем стимулировать выделение пота от четырех до пяти часов за несколько минут стимуляции десятками микроампер».

До сих пор было показано, что сенсорная технология работает на людях в лабораторных условиях. Гао надеется протестировать его в более масштабных испытаниях на людях.

«Этот подход позволяет нам обнаруживать множество новых важных питательных веществ и метаболитов. Мы можем отслеживать, когда мы едим, и наблюдать за изменением уровня питательных веществ», — говорит он. «Он контролирует не только питательные вещества, но также гормоны и лекарства. Он может обеспечить непрерывный мониторинг многих состояний здоровья».

Добавить комментарий