Οι φορετοί αισθητήρες υγείας που μπορούν να παρακολουθούν συνεχώς τις μεταβολές στο σώμα έχουν εξελιχθεί σημαντικά τα τελευταία χρόνια στον τομέα της υγειονομικής τεχνολογίας.
Αυτές οι συσκευές, μαζί με ιατρικά επιθέματα και επιδέσμους τραυμάτων, συχνά χρειάζεται να παραμένουν σε επαφή με το δέρμα για ώρες ή και ημέρες. Ωστόσο, οι υδρογέλες με υψηλή περιεκτικότητα σε νερό που χρησιμοποιούνται συνήθως σε τέτοια προϊόντα μπορούν να παγιδεύουν θερμότητα και ιδρώτα, προκαλώντας πιθανό ερεθισμό και επηρεάζοντας τις μετρήσεις των αισθητήρων.
Σε νέα μελέτη που δημοσιεύθηκε στο Nature, μηχανικοί με επικεφαλής ομάδα του Massachusetts Institute of Technology (MIT) αναφέρουν ότι ανέπτυξαν μια υδρογέλη με σταθερό, τρισδιάστατο δίκτυο μικροσκοπικών καναλιών γεμάτων αέρα.
Μια μελέτη του 2024, που δημοσιεύθηκε στο Science Advances, είχε πετύχει οκταήμερη συνεχόμενη παρακολούθηση του δέρματος με έναν διαπερατό από αέρια αισθητήρα υδρογέλης πάχους περίπου 10 μικρομέτρων, ενισχυμένο με νανοδομή από πολυουρεθάνη.
Η νέα μελέτη του MIT ακολουθεί διαφορετική προσέγγιση, δημιουργώντας ένα σταθερό δίκτυο αεροφόρων διαδρομών μέσα σε μια μαζική υδρογέλη, διατηρώντας παράλληλα περιεκτικότητα σε νερό 70%.
Παρά το γεγονός ότι είναι κατά 70% νερό, το υλικό έφτασε σε διαπερατότητα οξυγόνου έως και 185 barrer σε εργαστηριακές δοκιμές.
Πρόκειται για περίπου 10 φορές μεγαλύτερη διαπερατότητα σε σχέση με μια συμβατική υδρογέλη.
Εμπνευσμένοι από την αεροφόρο αρχιτεκτονική των ανθρώπινων πνευμόνων, οι ερευνητές πήραν μια απλή συνταγή υδρογέλης και πρόσθεσαν μικρή ποσότητα σωματιδίων πυριτικής αερογέλης — ουσιαστικά «φυσαλίδες αέρα σε στερεή μορφή». Αυτά τα υδρόφοβα σωματίδια παγιδεύουν αέρα και εμποδίζουν τους μικρούς αεροχώρους στο εσωτερικό τους να καταρρεύσουν ή να γεμίσουν με νερό.
Κατά την παραγωγή, τα σωματίδια ενώθηκαν μέσα στην υδρογέλη και σχημάτισαν ένα λεπτό, διασυνδεδεμένο δίκτυο γεμάτων αέρα καναλιών. Τα κανάλια αυτά επέτρεπαν στο οξυγόνο και στους υδρατμούς να κινούνται μέσα στο υλικό, ενώ αυτό διατηρούσε την υψηλή περιεκτικότητά του σε νερό.
Οι υδρογέλες μετέφεραν επίσης υδρατμούς με ρυθμούς 10 έως 100 φορές υψηλότερους από τα επιθέματα σιλικόνης και πολυουρεθάνης, βοηθώντας την υγρασία να απομακρύνεται από το δέρμα.
Η υδρογέλη ήταν επίσης μαλακή και ανθεκτική, διατηρώντας περίπου το 95% της αεροδιαπερατότητάς της μετά από 10.000 κύκλους διάτασης.
Για να αποδείξουν ότι το νέο υλικό μπορεί να φορεθεί, οι ερευνητές δοκίμασαν την άνεση των επιθεμάτων τους σε σύγκριση με πιο συνηθισμένα επιθέματα σιλικόνης.
Θερμικές εικόνες που λήφθηκαν δύο λεπτά μετά την αφαίρεση των επιθεμάτων έδειξαν ότι η θερμοκρασία του δέρματος κάτω από ένα εμπορικό επίθεμα σιλικόνης είχε αυξηθεί κατά 6,5 βαθμούς Κελσίου έπειτα από 20 λεπτά άσκησης.
Κάτω από τη νέα υδρογέλη, αντίθετα, είχε πέσει κατά περίπου 1 βαθμό, πιθανότατα επειδή το υλικό επέτρεπε στη θερμότητα να διαφεύγει πιο αποτελεσματικά.
Σημαντική ποσότητα ιδρώτα είχε επίσης συγκεντρωθεί κάτω από το επίθεμα σιλικόνης, ενώ το δέρμα που καλυπτόταν από την «αναπνεύσιμη» υδρογέλη παρέμενε σε κατάσταση παρόμοια με το ακάλυπτο δέρμα.
Σε άλλη δοκιμή, 10 εθελοντές φόρεσαν τα νέα επιθέματα στο στήθος τους κατά τη διάρκεια μιας ώρας μέτριας άσκησης, χωρίς κανείς να αναφέρει φαγούρα, ερεθισμό ή άλλη ανεπιθύμητη αντίδραση στο δέρμα.
Η ομάδα προσαρμόσε επίσης την υδρογέλη ώστε να λειτουργεί ως ηλεκτρόδιο που καταγράφει την ηλεκτρική δραστηριότητα της καρδιάς.
Κατά τη διάρκεια δοκιμών ποδηλασίας, τα συμβατικά ηλεκτρόδια υδρογέλης παρήγαγαν λιγότερο σταθερά ηλεκτροκαρδιογραφήματα (ECG), καθώς συσσωρευόταν ιδρώτας. Τα ηλεκτρόδια που κατασκευάστηκαν με την αεροδιαπερατή υδρογέλη διατήρησαν πιο καθαρές καταγραφές κατά τη διάρκεια και μετά την άσκηση.
Σε εκτεταμένη παρακολούθηση, τα ηλεκτρόδια υδρογέλης φορέθηκαν συνεχώς για 10 ημέρες και συνέχισαν να καταγράφουν χρήσιμα σήματα ECG κατά τη διάρκεια δραστηριοτήτων όπως ο ύπνος, η εργασία, το περπάτημα και η άσκηση.
Ο Xuanhe Zhao, βασικός συγγραφέας της μελέτης και μηχανικός του MIT, είπε στο ScienceAlert ότι οι πιο άμεσες εφαρμογές θα μπορούσαν να περιλαμβάνουν φορετές ιατρικές συσκευές, επιθέματα τραυμάτων και αισθητήρες υγείας που τοποθετούνται στο δέρμα.
«Αυτές οι τεχνολογίες συχνά απαιτούν παρατεταμένη επαφή με το δέρμα, αλλά οι συμβατικές υδρογέλες παγιδεύουν θερμότητα και υγρασία επειδή δεν επιτρέπουν επαρκή διέλευση οξυγόνου και υδρατμών», είπε ο Zhao.
«Το υλικό μας ξεπερνά αυτόν τον περιορισμό, διατηρώντας παράλληλα την υψηλή περιεκτικότητα σε νερό και τη μαλακότητα που κάνουν τις υδρογέλες άνετες και βιοσυμβατές».
Ωστόσο, το υλικό δεν είναι ακόμη έτοιμο για κλινική χρήση. Ο Zhao λέει ότι απαιτούνται περαιτέρω μελέτες για να αξιολογηθούν η μακροπρόθεσμη βιοσυμβατότητα, η απόδοση σε μεγάλα ζώα, η αποστείρωση, η παραγωγή σε μεγάλη κλίμακα, η διάρκεια ζωής και η κανονιστική ασφάλεια.
Οι δοκιμές σε ανθρώπους ήταν μικρές και σχεδιάστηκαν κυρίως για να δείξουν τη δυνατότητα του υλικού.
Οι αξιολογήσεις άσκησης και άνεσης αφορούσαν έως και 10 εθελοντές, ενώ οι μετρήσεις φυσιολογίας του δέρματος περιλάμβαναν μόνο δύο συμμετέχοντες και η σύγκριση ECG κατά την άσκηση μόνο τρεις. Για να επιβεβαιωθούν τα ευρήματα θα χρειαστούν, επομένως, μεγαλύτερες και πιο διαφοροποιημένες μελέτες.
Το υλικό θα χρειαστεί επίσης να προσαρμοστεί για διαφορετικά προϊόντα, καθώς ένα επίθεμα τραυμάτων, ένας φορετός αισθητήρας και ένα εμφύτευμα έχουν διαφορετικές απαιτήσεις.
Το σημερινό υλικό δεν είναι από μόνο του αυτοκόλλητο, κάτι που σημαίνει ότι εξακολουθεί να χρειάζεται ξεχωριστό υπόστρωμα ή μηχανισμό στερέωσης για να παραμένει στο δέρμα.
Στο μέλλον, ο σχεδιασμός θα μπορούσε δυνητικά να χρησιμοποιηθεί στη μηχανική ιστών και σε εμφυτεύσιμες συσκευές, όπου η επαρκής παροχή οξυγόνου στα κύτταρα παραμένει μεγάλο ζητούμενο.
«Πολλοί μηχανικά κατασκευασμένοι ιστοί και εμφυτεύματα απαιτούν αποτελεσματική μεταφορά οξυγόνου για να διατηρήσουν τη βιωσιμότητα των κυττάρων, και το υλικό μας προσφέρει έναν τρόπο να βελτιωθεί η ανταλλαγή αερίων, διατηρώντας παράλληλα το ενυδατωμένο περιβάλλον που χρειάζονται τα κύτταρα», είπε ο Zhao.
Ωστόσο, οι εμφυτεύσιμες εφαρμογές θα χρειαστούν πολύ περισσότερες δοκιμές, σημειώνει, κάτι που καθιστά τις χρήσεις στο δέρμα το πιο ρεαλιστικό πρώτο βήμα.
Τα ευρήματα δημοσιεύονται στο Nature.
