Neues Hautpflaster bringt uns dem tragbaren All-in-One-Gesundheitsmonitor näher

Ingenieure der University of California San Diego haben ein weiches, dehnbares Hautpflaster entwickelt, das am Hals getragen werden kann, um den Blutdruck und die Herzfrequenz kontinuierlich zu verfolgen und gleichzeitig den Glukose-, Laktat-, Alkohol- oder Koffeinspiegel des Trägers zu messen. Es ist das erste tragbare Gerät, das kardiovaskuläre Signale und mehrere biochemische Ebenen im menschlichen Körper gleichzeitig überwacht.

Ein solches Gerät könnte Personen zugute kommen, die mit Bluthochdruck und Diabetes umgehen – Personen, die auch einem hohen Risiko ausgesetzt sind, schwer an COVID-19 zu erkranken. Es könnte auch verwendet werden, um den Beginn einer Sepsis zu erkennen, die durch einen plötzlichen Abfall des Blutdrucks begleitet von einem schnellen Anstieg des Laktatspiegels gekennzeichnet ist.

Ein weiches Hautpflaster, das alles kann, wäre auch eine praktische Alternative für Patienten auf Intensivstationen, einschließlich Säuglingen auf der Neugeborenen-Intensivstation, die eine kontinuierliche Überwachung des Blutdrucks und anderer Vitalfunktionen benötigen. Diese Verfahren umfassen derzeit das Einführen von Kathetern tief in die Arterien der Patienten und das Anbinden der Patienten an mehrere Krankenhausmonitore.

„Das Neue hier ist, dass wir völlig unterschiedliche Sensoren nehmen und sie auf einer einzigen Plattform zusammenführen, die so klein wie eine Briefmarke ist“, sagte Joseph Wang, Professor für Nanoengineering an der UC San Diego. „Wir können mit diesem tragbaren Gerät so viele Informationen sammeln, und zwar auf nicht-invasive Weise, ohne Beschwerden oder Unterbrechungen der täglichen Aktivitäten zu verursachen.“

Das Pflaster ist eine dünne Folie aus dehnbaren Polymeren, die sich der Haut anpassen kann. Es ist mit einem Blutdrucksensor und zwei chemischen Sensoren ausgestattet – einer misst den Laktatspiegel (ein Biomarker für körperliche Anstrengung), Koffein und Alkohol im Schweiß und ein anderer misst den Glukosespiegel in der interstitiellen Flüssigkeit.

Das Pflaster kann drei Parameter gleichzeitig messen, einen von jedem Sensor:Blutdruck, Glukose und entweder Laktat, Alkohol oder Koffein.

Der Blutdrucksensor befindet sich in der Nähe der Mitte des Pflasters. Es besteht aus einem Satz kleiner Ultraschallwandler, die mit einer leitfähigen Tinte an das Pflaster geschweißt sind. Eine an die Wandler angelegte Spannung veranlasst sie, Ultraschallwellen in den Körper zu senden. Wenn die Ultraschallwellen von einer Arterie abprallen, erkennt der Sensor die Echos und übersetzt die Signale in einen Blutdruckmesswert.

Die chemischen Sensoren sind zwei Elektroden, die mit leitfähiger Tinte im Siebdruck auf das Pflaster gedruckt werden. Die Elektrode, die Laktat, Koffein und Alkohol misst, ist auf der rechten Seite des Pflasters aufgedruckt; Es funktioniert, indem es ein Medikament namens Pilocarpin in die Haut freisetzt, um Schweiß zu induzieren und die chemischen Substanzen im Schweiß zu erkennen. Die andere Elektrode, die Glukose misst, ist auf der linken Seite aufgedruckt; Es funktioniert, indem ein leichter elektrischer Strom durch die Haut geleitet wird, um interstitielle Flüssigkeit freizusetzen und die Glukose in dieser Flüssigkeit zu messen.

Die Forscher interessierten sich für die Messung dieser speziellen Biomarker, da sie den Blutdruck beeinflussen. „Wir haben Parameter ausgewählt, die uns eine genauere und zuverlässigere Blutdruckmessung ermöglichen würden“, sagte Juliane Sempionatto, promovierte Nanoingenieurin. Student in Wangs Labor.

„Nehmen wir an, Sie überwachen Ihren Blutdruck und sehen tagsüber Spitzen und denken, dass etwas nicht stimmt. Ein Biomarker-Messwert könnte Ihnen sagen, ob diese Spitzen auf die Einnahme von Alkohol oder Koffein zurückzuführen sind. Diese Kombination von Sensoren kann Ihnen diese Art von Informationen liefern“, sagte sie.

In Tests trugen die Probanden das Pflaster am Hals, während sie verschiedene Kombinationen der folgenden Aufgaben ausführten:Trainieren auf einem stationären Fahrrad; Essen einer zuckerreichen Mahlzeit; ein alkoholisches Getränk trinken; und ein koffeinhaltiges Getränk trinken. Die Messungen des Pflasters stimmten eng mit denen überein, die von kommerziellen Überwachungsgeräten wie Blutdruckmanschetten, Blutlaktatmessgeräten, Blutzuckermessgeräten und Alkoholtestern erfasst wurden. Die Messungen des Koffeingehalts der Träger wurden im Labor verifiziert, indem mit Koffein versetzte Schweißproben gemessen wurden.

Eine der größten Herausforderungen bei der Herstellung des Pflasters war die Eliminierung von Interferenzen zwischen den Signalen der Sensoren. Dazu mussten die Forscher den optimalen Abstand zwischen dem Blutdrucksensor und den chemischen Sensoren herausfinden. Sie fanden heraus, dass ein Zentimeter Abstand ausreichte, während das Gerät so klein wie möglich gehalten wurde.

Die Forscher mussten auch herausfinden, wie die chemischen Sensoren physisch vom Blutdrucksensor abgeschirmt werden können. Letzteres ist normalerweise mit einem flüssigen Ultraschallgel ausgestattet, um klare Messwerte zu erhalten. Aber die chemischen Sensoren sind auch mit ihren eigenen Hydrogelen ausgestattet, und das Problem ist, dass, wenn flüssiges Gel aus dem Blutdrucksensor herausfließt und mit den anderen Gelen in Kontakt kommt, es zu Interferenzen zwischen den Sensoren kommt. Stattdessen verwendeten die Forscher ein festes Ultraschallgel, das ihrer Meinung nach genauso gut funktionierte wie die flüssige Version, jedoch ohne das Auslaufen

Das Team arbeitet bereits an einer neuen Version des Patches, einer mit noch mehr Sensoren. „Es gibt Möglichkeiten, andere Biomarker im Zusammenhang mit verschiedenen Krankheiten zu überwachen. Wir sind bestrebt, diesem Gerät mehr klinischen Wert zu verleihen“, sagte Sempionatto.

Zu den laufenden Arbeiten gehört auch das Schrumpfen der Elektronik für den Blutdrucksensor. Im Moment muss der Sensor an eine Stromquelle und eine Tischmaschine angeschlossen werden, um seine Messwerte anzuzeigen. Das ultimative Ziel ist es, all dies auf den Patch zu bringen und alles drahtlos zu machen.