Nye mikrofluidiske enheder hjælper atleter og forbedrer fysisk rehab

Professor ved Northwestern University John A. Rogers samarbejder med en bred samling af partnere, herunder Gatorade, Seattle Mariners, US Air Force og Shirley Ryan AbilityLab for at bringe sit bærbare mikrofluidiske svedanalysesystem til udbredt distribution.

Enheden måler sved og sved biomarkører præcist og i realtid, tillader atleter, militærpersonale, fitnessprofessionelle og andre til at overvåge svedhastighed og tab af elektrolyt, så de kan holde sig hydreret, genopbygge deres elektrolytter og holde styr på deres spil.

Partnerskaberne har til formål at videreudvikle, test og validering af Rogers 'enhed, som overvåger svedtab og analyserer svedkemi med en enkel, visuel aflæsning i realtid.

Tidligere udviklet i Rogers 'Northwestern Engineering laboratorium, det bløde, fleksibel enhed sidder på huden og måler sved for at bestemme, hvordan kroppen reagerer på træning. Lanceret fra Rogers 'gruppe gennem Northwestern's Innovation and New Ventures Office (INVO), opstart Epicore Biosystems har etableret store produktionskapaciteter for disse mikrofluidiske enheder. Det har også planer om at pakke dem sammen med ernæringsmæssige, hudens sundhed, kosmetik og sportshydrering produkter, med yderligere muligheder for brug inden for klinisk medicin og rehabilitering.

"Gatorade Sports Science Institute ved meget om sved, og de har meget strenge testprotokoller til evaluering af nye teknologier i dette rum, "sagde Rogers, Louis Simpson og Kimberly Querrey, professor i materialevidenskab og teknik, Biomedicinsk teknik og neurologisk kirurgi i McCormick og Northwestern University Feinberg School of Medicine, og han er direktør for Center for Biointegreret Elektronik (CBIE).

"Vores mission ved Gatorade Sports Science Institute har altid været at hjælpe atleter med at optimere deres helbred og ydeevne gennem forskning og uddannelse inden for hydrering og sportsvidenskab, "sagde Dr. Lindsay Baker, hovedforsker ved Gatorade Sports Science Institute. "Gennem vores partnerskab med Epicore Biosystems, vi udvikler spændende nye måder at måle og overvåge sved på, som kan hjælpe os med bedre at anbefale hydratiseringsstrategier til vores atleter. "

Oprindeligt introduceret i 2016, Rogers mikrofluiddesign er nået langt i det forløbne år. Tidligere designs målte kloridtab, glukose, laktat og pH -niveauer i sved. Nyere platforme kvantificerer også koncentrationer af tungmetaller såsom bly- og arsen- og urinstof- og kreatininniveauer, sidstnævnte vedrører nyresundhed.

De nyeste enheder kan også måle disse kemikalier løbende, i realtid, giver brugerne mulighed for at overvåge, hvordan deres svedkemi ændrer sig under et træningsforløb og i løbet af dagen.

"Enhederne for et år siden kunne bestemme den gennemsnitlige chloridkoncentration i løbet af en træningsperiode, "Rogers sagde." Men nu har vi enheder, der fyldes sekventielt i tide. Dette er vigtigt, fordi variationer i svedbiomarkører giver en følelse af træthed, mens du træner. Den kapacitet havde vi ikke tidligere. "

Endnu bedre:atleten behøver ikke at sætte sin træning på pause for at tyde komplicerede oplysninger. I stedet, han eller hun kan overvåge disse sekventielt skiftende niveauer med et enkelt blik. Under træning, sved snor sig gennem enhedens mikroskopiske kanaler og ind i forskellige rum. I disse rum, reaktioner med kemiske reagenser resulterer i synlige farveændringer, der kvantitativt vedrører elektrolytkoncentrationer.

"De fleste mennesker vil vide, om de taber meget klorid, lidt eller næsten ingen, "Rogers sagde." De kan bare øjeæblen på enheden og afgøre, om deres elektrolytniveauer er høje, medium eller lav. "

Medforfatter med forskere ved Gatorade Sports Science Institute, forskningen blev offentliggjort online i dag, 16. februar kl. i journalen Videnskab fremskridt . Rogers vil også præsentere arbejdet som en del af sin tale om biointegrerede teknologier 17. februar på American Association for the Advancement of Science (AAAS) årsmøde i Austin, Texas. Rogers vil diskutere, hvordan hans teknologi kan bruges til at hjælpe med at rehabilitere ofre for slagtilfælde.

En anden unik egenskab ved disse nyeste platforme er deres evne til at måle brugernes sved under vandsport, selv når den er helt under vand. Nye klæbematerialer og mikrofluidiske designs bevarer vandtætte tætninger til huden for at fange og analysere sved, samtidig med at det forhindrer omgivende vand i at trænge ind i enhedens mikroskopiske kanaler. Systemerne blev først indsat på triatleter og bruges nu rutinemæssigt af det nordvestlige svømmehold.

"Vi har været bekymrede over svedens indvirkning på hydrering og ydeevne under træning og konkurrence, men indtil nu, vi har ikke haft mulighed for at foretage kvantitative målinger, "sagde Jarod Schroeder, cheftræner for det nordvestlige herresvømmehold. "Hudmonterede mikrofluidiske enheder fra Rogers-gruppen tillader os, for første gang, til konstant at bestemme sved og tab af elektrolyt, som det forekommer i poolen under svømning, uden nogen negativ indvirkning på vores atleter. Indsigterne er spændende. De bemærkelsesværdigt høje svedtab, der opstår i poolen, kræver omhyggelig planlægning for rehydrering. "

Gennem Epicore Biosystems og CBIE, enheder er nu i stor udbredelse med en bred vifte af forskellige organisationer. Seattle Mariners bruger hundredvis af enhederne til at spore spillere under forårstræning.

"Disse tynde, fleksible mikrofluidiske netværk giver os mulighed for kvantitativt at spore svedtab og svedkemi på tværs af spillere i vores organisation, "sagde Lorena Martin, en læge og søfarernes direktør for højtydende. "Disse data kan give os unikke, detaljeret, spillerspecifikke oplysninger om elektrolytbalance og kropskemi på ethvert tidspunkt under et spil eller en øvelse. "

Aktive flyvere på Wright-Patterson Air Force Base i Dayton, Ohio bruger også enhederne.

"Sved er rig på biokemiske oplysninger, der er relevante for fysiologisk sundhed og kognitiv tilstand, "sagde Jennifer Martin, en forskningskemiker ved Air Force Research Laboratory. "Evnen til at overvåge svedtab og svedkemi in situ på huden er af interesse, fordi dataene muligvis giver os mulighed for mere effektivt at styre militær parathed under opslidende forhold under træning eller på slagmarken."

Patienter bruger også enhederne på Shirley Ryan AbilityLab, et af landets bedste translationelle forskningssygehuse. Forskere der undersøger venstre/højre asymmetri i svedtendens som en metrik for bedring hos slagtilfælde patienter. Enhederne hjælper også læger med at overvåge forskelle i patienternes svedkemi i løbet af rehabiliteringsprocessen.

"Disse apparaters meget visuelle og dynamiske karakter giver vores klinikere mulighed for let at overvåge svedtab og fysisk anstrengelse hos patienter, der gennemgår rehabilitering fra autonome lidelser som slagtilfælde, "sagde Arun Jayaraman, direktør for Max Näder Lab for Rehabilitation Technologies and Outcomes Research hos Shirley Ryan AbilityLab. "Den unikke evne til at måle sved på tværs af flere kropssteder samtidigt åbner muligheden for at bruge uregelmæssig svedtendens som en indikator på genoprettelsesstatus."

Med teknologien på vej til kommercialisering, Rogers 'team, herunder Dr. Roozbeh Ghaffari, direktør for translationel videnskab på CBIE, fortsætter med at teste mikrofluidiske enheder i skalerede undersøgelser med en voksende samling af partnere. Rogers forudser, at en version af denne teknologi kan være i hænderne på militært personale, sportshold og forbrugere i det næste år skyldes i høj grad den enkle, billige karakter af teknologien og dens brede appel til slutbrugere.

"At gå sammen med videnskabsdrevne organisationer som U.S. Air Force og Gatorade vil hjælpe os med at levere en ny klasse af bærbar teknologi-en, der giver kvantitativ information om sved, med potentiale til fundamentalt at ændre den måde, hvorpå mennesker håndterer deres hydrering, sundhed og ydeevne, "Sagde Ghaffari.