У нещодавньому дослідженні, опублікованому в журналі Science Advances, дослідники з Каліфорнійського технологічного інституту під керівництвом доктора Вей Гао розробили епіфлюїдну електронну шкіру з використанням машинного навчання (ML), надруковану на 3D-принтері для мультимодального спостереження за здоров’ям. Ця платформа дозволяє здійснювати фізичний і хімічний моніторинг стану здоров’я в режимі реального часу.
Носімі медичні пристрої можуть зробити революцію у світі медицини, пропонуючи відстеження в реальному часі, персоналізоване лікування та ранню діагностику захворювань.
Однак одна з основних проблем цих пристроїв полягає в тому, що вони не відстежують дані на молекулярному рівні, а їхнє виготовлення є складним завданням. Доктор Гао пояснив, чому це стало мотивацією для їхньої команди.
«Зараз зростає дослідницький інтерес до персоналізованої охорони здоров’я, покликаного провести революцію в традиційній медичній практиці. Щоб подолати ці проблеми, ми використовуємо нашу технологію 3D-друку для створення необхідних компонентів, таких як фізичні датчики, хімічні датчики, мікрофлюїдика та суперконденсатори для наших пристроїв. платформа», – розповів доктор Гао.
Доктор Гао і його команда зробили саме це, розпочавши масове виробництво платформи, що носиться під назвою e3-skin, яка надрукована в 3D на індивідуальних матеріалах.
e3-skin: Епіфлюїдна електронна шкіра, надрукована на 3D-принтері.
Назва e3-skin походить від «епіфлюїдної еластичної електронної шкіри». Це система, що наноситься на 3D-принтері, яка безперервно відстежує різні фізіологічні параметри і прогнозує поведінкові реакції.
Доктор Гао пояснив різні компоненти e3-skin, сказавши: «Всі основні компоненти платформи, що носиться, включаючи фізичні датчики, хімічні датчики, мікрофлюїдику і мікросуперконденсатори для зберігання енергії, можуть бути легко виготовлені за допомогою екструзійного 3D-друку різних функціональних матеріалів».
Що відрізняє e3-skin, так це надруковані на 3D-принтері біохімічні датчики та система мікрофлюїдики. Інтеграція технології 3D-друку є ключовим аспектом створення e3-скіна. 3D-друк забезпечує точність та індивідуалізацію, дозволяючи дослідникам точно проектувати та виробляти важливі компоненти. Це спростило виробництво та дозволило інтегрувати складні структури та матеріали, включаючи 3D-друковані біохімічні датчики та мікрофлюїдику.
Доктор Гао далі уточнив: «Бохімічні датчики, можуть надати важливу інформацію про здоров’я на молекулярному рівні. У поєднанні з біофізичними датчиками вони можуть надати повнішу інформацію про стан нашого здоров’я».
Щобільше, використання мікрофлюїдики, науки про маніпулювання та контроль крихітних кількостей рідини в невеликих каналах або пристроях допомогло їм проаналізувати біомаркери в людському поті. Мікрофлюїдика може автоматично викликати потовиділення за допомогою іонофорезу, збирати його без необхідності напруженої діяльності, мінімізувати випаровування поту та полегшувати біохімічний аналіз у реальному часі з використанням свіжих зразків поту.
Носимі медичні технології з підтримкою ML
Можливості e3-скіна виходять за межі його апаратних компонентів. Він інтегрує алгоритми машинного навчання, які грають ключову роль його функціональності. Але перш ніж заглиблюватися в ML, важливо зрозуміти чудовий матеріал, який уможливлює створення e3-скіна: MXene.
MXene, сімейство 2D-матеріалів, є універсальним матеріалом, відомим своїми унікальними властивостями. Водний Ti3C2Tx (MXene) служив чорнилом для 3D-друку міжз’єднань та біофізичних датчиків у шкірі e3.
Команда використовувала MXene для усунення обмежень існуючих систем. За словами доктора Гао, «більшість сучасних систем, що носяться, працюють на батареях, які є жорсткими, громіздкими та недостатніми, що потребує частої заміни».
Щоб усунути це обмеження, в e3-skin вбудований сонячний елемент, який збирає енергію з навколишнього світла та ефективно зберігає її в мікросуперконденсаторах на основі MXene, надрукованих на 3D-принтері. Це нововведення забезпечує стійку роботу без батарейок для довгострокового моніторингу здоров’я під час повсякденної діяльності.
Нанолісти MXene мають такі властивості, як негативно заряджена поверхня і гідрофільність, які дозволяють їм диспергуватися і залишатися стабільними у воді. Це забезпечує точний друк завдяки ниткам MXene, що мають регульовану ширину ліній та здатність прилипати до гнучких матеріалів, таких як шкіра людини.
Доктор Гао далі підкреслив: “Надруковані нитки MXene можуть утворювати однорідні масиви зі складними візерунками, що дозволяє створювати складні структури всередині e3-шкіри”.
Майбутнє носимих пристроїв
e3-skin демонструє великі перспективи, збираючи найкраще з ML, матеріалів і ліків. «e3-skin надає захоплюючі можливості для просування переносних біосенсорів у практичне застосування в сучасній охороні здоров’я», — підкреслив доктор Гао.
Завдяки постійному моніторингу життєво важливих біомаркерів і великому збору даних він має потенціал для прогнозування когнітивних і поведінкових розладів і моніторингу різних аспектів здоров’я. Дані, зібрані e3-skin, можуть покращити персоналізовану медичну допомогу, дозволяючи раннє попередження, ранню діагностику та своєчасне втручання для максимізації результатів для здоров’я.
Доктор Гао завершив, заявивши: «Великі набори даних, зібрані такими мультимодальними переносними пристроями в повсякденній діяльності в поєднанні з сучасними алгоритмами машинного навчання, можуть виявити основний зв’язок рівня біомаркерів зі складними станами здоров’я.
«Таким чином, він обіцяє змінити сферу моніторингу здоров’я переносних пристроїв і розширити можливості персоналізованої медичної допомоги на основі даних». Джерело