Mekani, lepljivi, rastegljivi biosenzori od grafenskog hidrogela ostvaruju bolju vezu

Prilagodljivi senzori od grafenskog hidrogela, razvijeni na Univerzitetu Dreksel i Pensilvanijskom državnom univerzitetu, mogu da detektuju biološke signale uprkos dlakama, znoju, savijanju i rastezanju.

Biosenzori su doneli revoluciju u kućnu zdravstvenu negu tokom poslednje dve decenije. Uređaji poput nosivih monitora otkucaja srca i nivoa glukoze u krvi pružaju ljudima sa hroničnim zdravstvenim stanjima informacije i sigurnost radi održavanja aktivnog načina života.

Preporučujemo

Međutim, čak i najbolji senzori su ograničeni svojom sposobnošću da održe kontakt sa kožom tokom fizičke aktivnosti. Istraživači su pokušali da poboljšaju hidrogelni materijal koji se koristi u biosenzorima. I u nedavno objavljenom radu su predstavili novu formulu za izradu želatinastog supstrata koji je mnogostran, izdržljiv i dovoljno lepljiv da ostvari jaču povezanost.

Pored redovnih pokreta, poput savijanja ili istezanja, površinske prepreke kao što su vlaga, masnoća ili dlake predstavljaju najveće smetnje da biosenzori ostanu pričvršćeni za telo i registruju biološke signale za čije detektovanje su dizajnirani. Hidrogel je formulisan tako da prianja uz kožu preko dlaka i znoja i zadrži fiksiranost tokom fizičke aktivnosti.

„Krajnji cilj je da biosenzor bude toliko pouzdan i udoban da korisnik može da obavlja aktivnosti bez primećivanja njegovog prisustva”, kažu istraživači sa odeljenja za mašinski inženjering i računarstvo. „Uzimajući to u obzir, osmislili smo formulu za hidrogel koji se može štampati u bilo kom obliku ili veličini i koji je dovoljno lepljiv da prianja za kožu čak i kad je znojava ili dlakava, i koji je dovoljno izdržljiv da se može upotrebljavati više puta”.

Ova inovacija je omogućena prilagođavanjem mešavine polimera i aditiva koji formiraju gel, tako da se ponaša na nekoliko vrlo specifičnih načina.

Autori su želeli da se hidrogelni senzori lako nanose na bilo koji deo tela. To je podrazumevalo mogućnost izrade u prilagođenim oblicima i veličinama. Da bi postigli ovu fleksibilnost u dizajnu, ugradili su hemijski mehanizam – pokretan pH vrednošću mešavine – za odlaganje procesa zgušnjavanja.

Podešavajući pH vrednost rastvora, istraživači su izazvali formiranje gela unutar šprica. To omogućava da bude glatko raspoređen na kožu i stvaranje senzora koji se brzo prilagođava zoni gde je nenet.

„Ova proizvodna fleksibilnost omogućava da napravimo prilagođene elektrode u različitim oblicima i obrascima koji odgovaraju specifičnim delovima tela ili pojedinačnim korisnicima”, kažu istraživači.

Da bi poboljšali izdržljivost i povećali električnu provodnost hidrogela – čineći ga moćnijim senzorom – u mešavinu su dodali ljuspice nanomaterijala na bazi grafena. Ove ljuspice, zvane „laserski indukovani grafen“ i „redukovani grafen-oksid“, formirale su poroznu mrežu u hidrogelu, što takođe omogućava znoju da prolazi kroz gel bez stvaranja naslaga koje bi mogle ometati ili pomeriti senzor.

Na kraju je uključen polidopamin, naširoko korišćen polimerni „biolepak” koji imitira lepljive proteine, što je stvorilo izuzetan lepak za pričvršćivanje na biološka tkiva. Biolepak je poslužio ne samo za čvrsto fiksiranje senzora za kožu, već i za osiguranje da ostanu pričvršćeni tokom fizičke aktivnosti i znojenja.

U preliminarnim testovima, istraživači su otkrili da su njihove optimizacije proizvele hidrogelove koji su mekani otprilike kao ljudsko tkivo, mogu da se rastegnu do 80 puta više od svoje prvobitne veličine i dovoljno su izdržljivi da se skinu i ponovo nanesu desetinama puta bez smanjenja učinka. Koža je takođe snažno prianjala za predmete u rasponu od bakra i čelika do stakla i gume, što pokazuje potencijal za upotrebu u nizu biomedicinskih senzornih tehnologija.

Hidrogelni elektrokardiogramski senzori, postavljeni na ručni zglob i grudi, održavali su snažnu signalnu vezu tokom savijanja i istezanja. Elektrookulografski senzori dali su slične rezultate tokom serije treptanja i pomeranja očiju.

„Ako je senzor neudoban, krut ili izgubi kontakt sa kožom tokom kretanja, to može uneti šum u zabeležene signale i smanjiti kvalitet podataka”, kažu istraživači. „Naš hidrogel je dizajniran tako da tesno prianja uz kožu, čak i na dlakavim ili oznojenim površinama i tokom kretanja, što pomaže u održavanju stabilnog signala uz unapređenje udobnosti, čak i nakon više ciklusa upotrebe”.

Radi testiranja performansi hidrogela kao biosenzora tokom primene u stvarnom svetu, osmišljen je sistem za registrovanje više fizioloških pokazatelja anksioznosti. Postavljanje hidrogelnih senzora na kapak, dlan i ručni zglob može da prati treptanje, znojenje i srčani ritam tokom naizmenične izloženosti opuštajućoj muzici i iritantnim zvucima.

Eksperiment je ponovljen sa volonterom koji je sebe opisao kao arahnofoba i koji izložen video-snimcima pauka. Senzori su neprekidno beležili podatke dok je anksioznost učesnika rasla, uključujući povećano znojenje i treptanje.

„Praćenje električnih signala tela obično zahteva postavljanje više vrsta elektroda i nekoliko različitih senzora na kožu, što može biti vremenski zahtevno i neudobno za nošenje. Naš hidrogel kombinuje ove funkcije u jedan mekani materijal sličan koži, koji se lakše nanosi, udobniji je za korisnika i sposobniji da održi tesan kontakt sa kožom, što pomaže da se dobiju stabilniji signali čak i tokom svakodnevnog kretanja”, kažu istraživači.

Iako ovi nalazi predstavljaju dokaz izvodljivosti koncepta, nastaviće se rad na optimizaciji hidrogela za specifične namene. Njegova mnogostranost pruža mogućnosti za istovremeno praćenje više biosignala, od srčanog ritma i temperature do treptanja i drugih mišićnih pokreta. Istraživači sugerišu da bi gel takođe mogao da se koristi u senzorima za praćenje vežbanja tokom fizičkog treninga i rehabilitacije.

„Umesto da omogući potpuno novu vrstu fizioloških merenja, naš hidrogel čini postojeća merenja pouzdanijim u zahtevnim uslovima stvarnog sveta“, kažu istraživači. „Iako je potreban dalji razvoj pre komercijalizacije, verujemo da ovaj prilagodljivi pristup predstavlja perspektivan novi put za nosivu bioelektroniku u poređenju sa današnjim konvencionalnim elektrodama”.

(Telegraf Nauka/EurekAlert)