Revolutionärer intelligenter Sensor verbessert die Wundüberwachung durch präzise Temperatur- und Dehnungsverfolgung

Penn State College of Engineering, University Park, PA

Der flexible Sensor, der sich ideal für den Einsatz im menschlichen Körper eignet, nutzt laserinduziertes Graphen, um Temperatur und Belastung gleichzeitig, aber getrennt zu messen, was möglicherweise eine bessere Überwachung der Wundheilung ermöglicht, indem er klarere Einblicke in Entzündungen und Genesung liefert. (Bild:Jennifer M. McCann)

Eine große Herausforderung bei tragbaren Sensoren mit eigener Stromversorgung für die Gesundheitsüberwachung besteht darin, verschiedene Signale zu unterscheiden, wenn sie gleichzeitig auftreten. Forscher der Pennsylvania State University und der Hebei University of Technology in China gingen dieses Problem an, indem sie eine neue Eigenschaft eines Sensormaterials entdeckten. Dies ermöglichte es dem Team, einen neuen Typ eines flexiblen Sensors zu entwickeln, der sowohl Temperatur als auch physikalische Belastung gleichzeitig, aber getrennt, genau messen kann, um verschiedene Signale präziser zu lokalisieren.

„Dieses einzigartige Sensormaterial, das wir entwickelt haben, hat potenziell wichtige Anwendungen in der Gesundheitsüberwachung“, sagte Huanyu „Larry“ Cheng, James L. Henderson, Jr. Memorial Associate Professor für Ingenieurwissenschaften und Mechanik (ESM) an der Penn State und Mitautor der in Nature Communications veröffentlichten Studie. „Durch die genaue Messung sowohl der Temperaturänderungen als auch der durch eine heilende Wunde verursachten physikalischen Verformung oder Belastung und deren Messung durch Trennung der beiden Signale könnte die Verfolgung der Wundheilung revolutioniert werden. Ärzte könnten sich ein viel klareres Bild des Heilungsprozesses machen und Probleme wie Entzündungen frühzeitig erkennen.“

Ziel der Forscher war es, Temperatur- und Dehnungssignale ohne Übersprechen genau zu messen, indem sie laserinduziertes Graphen (LIG), ein zweidimensionales (2D) Material, verwendeten. Wie alle 2D-Materialien, einschließlich regulärem Graphen, ist laserinduziertes Graphen ein bis wenige Atome dick und verfügt über einzigartige Eigenschaften, jedoch mit einer Wendung. Laserinduziertes Graphen entsteht, wenn ein Laser bestimmte kohlenstoffreiche Materialien – wie Kunststoff oder Holz – so erhitzt, dass ihre Oberfläche in eine Graphenstruktur umgewandelt wird. Der Laser „schreibt“ das Graphen im Wesentlichen direkt auf das Material, was es zu einer einfachen und skalierbaren Möglichkeit macht, Graphenmuster für Elektronik, Sensoren und Energiegeräte zu erzeugen.

LIG wurde bereits in verschiedenen Anwendungen eingesetzt. Zuvor nutzten Cheng und sein Team es für Gassensoren, elektrochemische Detektoren zur Schweißanalyse, Superkondensatoren und mehr. Die Forscher glauben jedoch, eine neue Eigenschaft von LIG entdeckt zu haben, die es zu einem idealen vielseitigen und genauen Sensor macht.

„In unserer Studie sind wir irgendwie auf die Tatsache gestoßen, dass dieses Material auch thermoelektrische Eigenschaften hat“, sagte Cheng. „Wir glauben, dass dies das erste Mal ist, dass jemand über laserinduziertes Graphen mit thermoelektrischen Fähigkeiten berichtet. Und das ist wirklich wichtig für das, was wir hier versuchen, nämlich Temperaturänderungen und physikalische Belastung oder Verformung getrennt zu messen.“

Thermoelektrische Eigenschaften eines Materials beziehen sich auf die Fähigkeit, Temperaturunterschiede in elektrische Spannung umzuwandeln und umgekehrt, wodurch solche Materialien für Anwendungen wie Energiegewinnung und Temperaturmessung verwendet werden können. Laut Cheng erleichtert diese neu identifizierte thermoelektrische Eigenschaft von LIG die Trennung der beiden Sensormessungen und eignet sich daher ideal für Anwendungen im Gesundheitswesen, beispielsweise für einen in einen Verband eingebetteten Sensor.

„Wenn es Materialien gibt, die sowohl temperatur- als auch spannungsempfindlich sind, kann es schwierig sein zu sagen, welches Signal durch Veränderungen im Material verursacht wird“, sagte Cheng. „Durch die Nutzung dieses thermoelektrischen Effekts im laserinduzierten Graphen können wir diese beiden Messungen jedoch im Wesentlichen entkoppeln. Wir können den elektrischen Widerstand betrachten, um Informationen über die Belastung zu erhalten, und gleichzeitig die thermische Spannung messen, um die Temperatur zu bestimmen. Aus diesem Grund könnten Ärzte damit sowohl Temperaturschwankungen als auch physikalische Veränderungen an der Wundstelle verfolgen und ein viel klareres Bild davon erhalten, wie die Heilung voranschreitet.“

Er stellte außerdem fest, dass der Sensor sehr empfindlich ist und Temperaturänderungen von nur 0,5 Grad Celsius erkennt. Das Design des Materials nutzt die Art und Weise, wie poröses Graphen und thermoelektrische Komponenten zusammenarbeiten, wodurch es Wärme fast viermal besser in Elektrizität umwandelt. Der Sensor kann außerdem um bis zu 45 Prozent gedehnt werden und sich an verschiedene Formen und Oberflächen anpassen, ohne seine Funktion zu verlieren.

„Die poröse Struktur dieses Materials erzeugt viele kleine Räume und Kanäle, die es ihm ermöglichen, auf sehr sensible Weise mit seiner Umgebung zu interagieren“, sagte Cheng. „Dadurch eignet es sich gut für die Verbindung mit menschlichem Weichgewebe, im Gegensatz zu steiferen thermoelektrischen Materialien, wie beispielsweise solchen auf Keramikbasis.“

Da der thermoelektrische Aspekt von LIG bedeutet, dass bei einem Temperaturunterschied elektrische Energie erzeugt werden kann, verfügen LIG-Sensoren über eine eigene Stromversorgung. Laut Cheng könnte dies besonders nützlich für die kontinuierliche Überwachung in klinischen Umgebungen und für andere Anwendungen sein, beispielsweise zur Erkennung von Bränden an abgelegenen Orten.

Zusätzlich zur Verfeinerung des Sensors entwickelt das Team ein drahtloses System, das es Menschen ermöglichen wird, die Daten des Sensors aus der Ferne zu überwachen. Dadurch wird es möglich, wichtige Informationen wie Temperatur oder Belastung in Echtzeit über Smartphones oder andere Geräte zu verfolgen.

„Zum Beispiel könnte ein Arzt den Zustand eines Patienten aus der Ferne überwachen oder Notfallhelfer könnten Warnungen vor gefährlichen Temperaturschwankungen erhalten“, sagte Cheng. „Diese Fortschritte zielen darauf ab, die Technologie zugänglicher und effektiver zu machen und dazu beizutragen, die Gesundheitsüberwachung und Sicherheit in alltäglichen Situationen zu verbessern.“

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