Інноваційний чіп забезпечує моніторинг стану здоров’я в реальному часі

Дослідники розробили портативний пристрій, який використовує кров для виробництва електроенергії для негайної медичної діагностики. Ця технологія лабораторії на мікросхемі, спрямована на боротьбу з глобальним зростанням метаболічних розладів, вимірює провідність крові, щоб миттєво діагностувати такі захворювання, як діабет, особливо в районах, які недостатньо обслуговуються.

Глобальний сплеск метаболічних розладів

Діабет, остеопороз та інші метаболічні розлади набирають обертів у всьому світі, особливо в країнах, що розвиваються.

Діагностика цих розладів, як правило, полягає в аналізі крові, але оскільки існуюча інфраструктура охорони здоров’я у віддалених районах не в змозі підтримувати ці тести, більшість людей залишаються без діагностики та лікування. Звичайні методи також включають трудомісткі та інвазивні процеси, які, як правило, займають багато часу та роблять моніторинг у реальному часі неможливим, особливо в умовах реального життя та серед сільського населення.

Революція в діагностиці за допомогою нових технологій

Дослідники з Університету Піттсбурга та Медичного центру Університету Піттсбурга пропонують новий пристрій, який використовує кров для генерації електрики та вимірювання її провідності, відкриваючи двері для медичної допомоги в будь-якому місці.

«Оскільки галузі нанотехнологій і мікрофлюїдики продовжують розвиватися, з’являється все більше можливостей для розробки пристроїв лабораторії на чіпі, здатних впоратися з обмеженнями сучасної медичної допомоги», — сказав Амір Алаві, доцент кафедри цивільної та екологічної інженерії в Інженерна школа Пітта Суонсона. «Ці технології можуть потенційно змінити охорону здоров’я, пропонуючи швидку та зручну діагностику, зрештою покращуючи результати лікування пацієнтів та ефективність медичних послуг».

Тепер ми маємо хорошу кров

Електропровідність крові є цінним показником для оцінки різних параметрів здоров’я та виявлення захворювань. Ця провідність переважно визначається концентрацією основних електролітів, зокрема іонів натрію та хлориду. Ці електроліти є невід’ємною частиною багатьох фізіологічних процесів, допомагаючи лікарям точно поставити діагноз.

«Кров — це в основному середовище на основі води, яке містить різні молекули, які проводять або перешкоджають електричному струму», — пояснив д-р Алан Уеллс, медичний директор клінічних лабораторій UPMC, виконавчий віце-президент секції лабораторної медицини в Університеті Пітсбурга та UPMC, і Томас Гілл III, професор патології, Медична школа Пітта, кафедра патології. «Глюкоза, наприклад, є електричним провідником. За допомогою цих вимірювань ми можемо побачити, як це впливає на провідність. Це дозволяє нам поставити діагноз на місці».

Незважаючи на життєздатність, знання про провідність крові людини обмежені через проблеми вимірювання, такі як поляризація електродів, обмежений доступ до зразків крові людини та складнощі, пов’язані з підтримкою температури крові. Вимірювання електропровідності на частотах нижче 100 Гц є особливо важливим для глибшого розуміння електричних властивостей крові та фундаментальних біологічних процесів, але ще складніше.

Кишенькова лабораторія

Дослідницька група пропонує інноваційний портативний міліфлюїдний наногенератор лабораторії на чіпі, здатний вимірювати кров на низьких частотах. Пристрій використовує кров як провідну речовину у своєму вбудованому трибоелектричному наногенераторі, або TENG. Запропонована система TENG на основі крові може перетворювати механічну енергію в електрику за допомогою трибоелектрифікації.

Цей процес передбачає обмін електронами між контактуючими матеріалами, що призводить до перенесення заряду. У системі TENG перенесення електронів і поділ зарядів створюють різницю напруг, яка запускає електричний струм, коли матеріали відчувають відносний рух, наприклад стиснення або ковзання. Команда аналізує напругу, що генерується пристроєм за попередньо визначених умов навантаження, щоб визначити електропровідність крові. Механізм автономного живлення дозволяє мініатюризувати запропонований наногенератор на основі крові. Команда також використовувала моделі штучного інтелекту для безпосередньої оцінки електропровідності крові за допомогою шаблонів напруги, створених пристроєм.

Щоб перевірити його точність, команда порівняла його результати з традиційним тестом, який виявився успішним. Це відкриває можливість проходити тестування там, де живуть люди. Крім того, наногенератори, що працюють від крові, здатні функціонувати в організмі всюди, де присутня кров, уможливлюючи самостійну діагностику за допомогою місцевого біохімічного аналізу крові.