Revolutionärer Smart-Sensor verbessert Wundmonitoring durch präzises Temperatur- & Dehnungs-Tracking

Penn State College of Engineering, University Park, PA

Der flexible Sensor, ideal für den Einsatz im menschlichen Körper, nutzt laserinduziertes Graphen (LIG), um Temperatur und Dehnung simultan, aber getrennt zu messen – potenziell für besseres Wundheilungsmonitoring durch klarere Einblicke in Entzündung und Erholung.

Herausforderung: Signalentkopplung

Eine große Herausforderung bei selbstversorgenden Wearable-Sensoren für Gesundheitsmonitoring ist die Unterscheidung verschiedener Signale, wenn sie gleichzeitig auftreten. Forscher von Penn State und der chinesischen Hebei University of Technology lösten dieses Problem, indem sie eine neue Eigenschaft eines Sensormaterials entdeckten, die die Entwicklung eines neuen flexiblen Sensors ermöglichte, der Temperatur und physische Dehnung simultan, aber getrennt präzise messen kann, um verschiedene Signale genauer zu identifizieren.

„Dieses einzigartige Sensormaterial, das wir entwickelt haben, hat potenziell wichtige Anwendungen im Gesundheitsmonitoring“, sagt Huanyu „Larry“ Cheng, James L. Henderson, Jr. Memorial Associate Professor of Engineering Science and Mechanics (ESM) an Penn State und Co-Korrespondenzautor der in Nature Communications veröffentlichten Studie. „Indem es sowohl Temperaturänderungen als auch physische Verformung (Dehnung) durch eine heilende Wunde präzise misst und diese beiden Signale trennt, könnte es das Tracking der Wundheilung revolutionieren. Ärzte könnten ein viel klareres Bild des Heilungsprozesses erhalten und Probleme wie Entzündungen frühzeitig erkennen.“

Laserinduziertes Graphen (LIG) mit thermoelektrischen Eigenschaften

Die Forscher zielten darauf ab, Temperatur- und Dehnungssignale ohne Crosstalk präzise zu messen, indem sie laserinduziertes Graphen (LIG) verwendeten, ein zweidimensionales (2D) Material. Wie alle 2D-Materialien einschließlich regulärem Graphen ist LIG ein bis wenige Atome dick mit einzigartigen Eigenschaften – aber mit einem Twist. LIG 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 quasi direkt auf das Material, was eine einfache und skalierbare Methode zur Herstellung von Graphenmustern für Elektronik, Sensoren und Energiegeräte darstellt.

LIG wurde bereits in verschiedenen Anwendungen eingesetzt. Zuvor nutzten Cheng und sein Team es für Gassensoren, elektrochemische Detektoren für Schweißanalyse, Superkondensatoren und mehr. Die Forscher glauben jedoch, eine neue Eigenschaft von LIG entdeckt zu haben, die es ideal als Mehrzweck- und präzisen Sensor macht.

„In unserer Studie sind wir quasi zufällig darauf gestoßen, dass dieses Material auch thermoelektrische Eigenschaften hat“, sagt Cheng. „Wir glauben, dies ist das erste Mal, dass jemand laserinduziertes Graphen mit thermoelektrischen Fähigkeiten berichtet. Und das ist wirklich wichtig für das, was wir hier tun wollen: Temperaturänderungen und physische Dehnung oder Verformung separat zu messen.“

Thermoelektrische Eigenschaften eines Materials beziehen sich auf die Fähigkeit, Temperaturunterschiede in elektrische Spannung und umgekehrt umzuwandeln, was solche Materialien für Anwendungen wie Energy Harvesting und Temperatursensing nutzbar macht. Laut Cheng macht diese neu identifizierte thermoelektrische Eigenschaft von LIG die Trennung der beiden Sensormessungen einfach, weshalb es ideal für Gesundheitsanwendungen wie einen in einen Verband eingebetteten Sensor ist.

„Wenn Sie Materialien haben, die sowohl auf Temperatur als auch auf Dehnung empfindlich reagieren, kann es knifflig sein, zu erkennen, welches Signal durch Änderungen im Material verursacht wird“, sagt Cheng. „Aber durch Nutzung dieses thermoelektrischen Effekts im laserinduzierten Graphen können wir diese beiden Messungen im Wesentlichen entkoppeln. Wir können den elektrischen Widerstand betrachten, um Informationen über die Dehnung zu erhalten, während wir gleichzeitig die thermische Spannung messen, um die Temperatur zu bestimmen. Deshalb könnten Ärzte es nutzen, um sowohl Temperaturschwankungen als auch physische Veränderungen an der Wundstelle zu tracken und ein viel klareres Bild des Heilungsfortschritts zu erhalten.“

Er merkte auch an, dass der Sensor hochsensibel ist und Temperaturänderungen von nur 0,5 Grad Celsius detektiert. Das Materialdesign nutzt die Weise, wie poröses Graphen und thermoelektrische Komponenten zusammenarbeiten, was es fast viermal besser macht, Wärme in Elektrizität umzuwandeln. Der Sensor kann sich auch bis zu 45 % dehnen sowie sich verschiedenen Formen und Oberflächen anpassen, ohne die Funktion zu verlieren.

„Die poröse Struktur dieses Materials schafft viele winzige Räume und Kanäle, die es ihm erlauben, sehr sensibel mit seiner Umgebung zu interagieren“, sagt Cheng. „Das macht es gut geeignet für das Interfacing mit menschlichen Weichgeweben, im Gegensatz zu starreren thermoelektrischen Materialien wie keramikbasierten.“

Da der thermoelektrische Aspekt von LIG bedeutet, dass es elektrische Energie erzeugen kann, wenn ein Temperaturunterschied besteht, sind LIG-Sensoren selbstversorgend. Laut Cheng könnte dies besonders nützlich sein für kontinuierliches Monitoring in klinischen Umgebungen und andere Anwendungen, wie die Erkennung von Bränden in abgelegenen Gebieten.

Zusätzlich zur Verfeinerung des Sensors entwickelt das Team ein drahtloses System, das es ermöglicht, die Sensordaten remote zu überwachen. Dies macht es möglich, wichtige Informationen wie Temperatur oder Dehnung in Echtzeit per Smartphone oder anderen Geräten zu tracken.

„Zum Beispiel könnte ein Arzt den Zustand eines Patienten aus der Ferne überwachen, oder Rettungskräfte könnten Warnungen über gefährliche Temperaturänderungen erhalten“, sagt Cheng. „Diese Fortschritte zielen darauf ab, die Technologie zugänglicher und effektiver zu machen, um Gesundheitsmonitoring und Sicherheit im Alltag zu verbessern.“

Für weitere Informationen kontaktieren Sie cheng@psu.edu.