Erkennung von Gesundheitsmarkern in fadenbasierten, tragbaren Schweißsensoren

Ingenieure haben ein flexibles elektronisches Sensorpflaster entwickelt, das in Kleidung eingenäht werden kann, um Schweiß auf mehrere Marker zu analysieren. Das Pflaster könnte verwendet werden, um akute und chronische Gesundheitszustände zu diagnostizieren und zu überwachen oder um die Gesundheit während sportlicher oder beruflicher Leistung zu überwachen. Das Gerät besteht aus speziellen Sensorfäden, flexiblen elektronischen Komponenten und drahtloser Konnektivität für die Datenerfassung, -speicherung und -verarbeitung in Echtzeit.

Typische Verbrauchergesundheitsmonitore können Herzfrequenz, Temperatur, Glukose, Gehstrecke und andere grobe Messungen verfolgen; jedoch ist ein detaillierteres Verständnis der Gesundheit, des Stresses und der Leistungsfähigkeit einer Person für die Erfassung medizinischer Daten oder sportliche oder militärische Hochleistungsanwendungen erforderlich. Insbesondere Stoffwechselmarker wie Elektrolyte und andere biologische Moleküle bieten einen direkteren Indikator für die menschliche Gesundheit, um die sportliche Leistung, die Sicherheit am Arbeitsplatz, die klinische Diagnose und den Umgang mit chronischen Gesundheitszuständen genau zu beurteilen.

Das Patch-Gerät führt Echtzeitmessungen wichtiger im Schweiß vorhandener Biomarker durch, darunter Natrium- und Ammoniumionen (Elektrolyte), Laktat (ein Metabolit) und Säuregehalt (pH). Die Geräteplattform kann auch eine breite Palette von Sensoren integrieren, die in der Lage sind, nahezu jeden im Schweiß vorhandenen Marker zu verfolgen. Die durchgeführten Messungen können nützliche diagnostische Anwendungen haben:Natrium aus Schweiß kann den Hydratationsstatus und das Elektrolytungleichgewicht in einem Körper anzeigen; Laktatkonzentration kann ein Indikator für Muskelermüdung sein; Chloridionenspiegel können zur Diagnose und Überwachung von Mukoviszidose verwendet werden; und Cortisol, ein Stresshormon, kann verwendet werden, um emotionalen Stress sowie Stoffwechsel- und Immunfunktionen zu beurteilen. Athleten könnten während der körperlichen Anstrengung eine breite Palette von Markern überwachen, um bei der Vorhersage von Leistungsspitzen oder -abfällen während des Wettkampfs zu helfen.

Die Möglichkeit, die Sensoren in Kleidung zu integrieren, wird durch flexible Fäden ermöglicht, die mit leitfähigen Tinten beschichtet sind. Unterschiedliche Beschichtungen verändern die Funktionalität der Fäden; Laktat kann beispielsweise nachgewiesen werden, indem ein Faden mit einem enzymatischen Sensormaterial beschichtet wird, das das Enzym Laktatoxidase enthält. Ein pH-Messfaden ist mit Polyanilin beschichtet, das auf Säure reagiert, und so weiter. Das Array von Fadensensoren wird in die Kleidung oder ein Pflaster integriert und mit einem Miniaturschaltkreismodul und einem Mikroprozessor verbunden, der drahtlos mit einem Smartphone kommunizieren kann.

Die Forscher testeten das Gerät an menschlichen Probanden und überwachten ihre Elektrolyt- und Metabolitenreaktion während einer maximalen Belastungsübung auf stationären Fahrrädern. Die Sensoren waren in der Lage, Schwankungen der Analytkonzentrationen zu erkennen, wenn sie sich nach oben und unten bewegten, und zwar innerhalb von 5- bis 30-Sekunden-Intervallen – ausreichend für die meisten Echtzeit-Tracking-Anforderungen. Die Studie ergab, dass der Sensor in der Lage war, konsistente Muster der Analytexpression zu erkennen, die für zukünftige Studien zur Identifizierung dieser Korrelationen verwendet werden könnten.