Forskere skaber en trådløs, batterifri, biologisk nedbrydelig blodgennemstrømningssensor

En ny enhed udviklet af Stanford University-forskere kunne gøre det lettere for læger at overvåge succesen med blodkarkirurgi. Sensoren, detaljeret i et papir udgivet 8. januar i Natur biomedicinsk teknik , overvåger strømmen af ​​blod gennem en arterie. Det er biologisk nedbrydeligt, batteri-fri og trådløs, så den er kompakt og behøver ikke fjernes, og den kan advare en patients læge, hvis der er en blokering.

"Måling af blodgennemstrømning er kritisk i mange medicinske specialer, så en trådløs biologisk nedbrydelig sensor kan påvirke flere felter, herunder vaskulære, transplantation, rekonstruktiv og hjertekirurgi, " sagde Paige Fox, adjunkt i kirurgi og co-senior forfatter af papiret. "Når vi forsøger at tage os af patienter i hele Bay Area, Central Valley, Californien og videre, dette er en teknologi, der vil give os mulighed for at udvide vores pleje uden at kræve ansigt-til-ansigt besøg eller test."

Overvågning af succesen med kirurgi på blodkar er udfordrende, da det første tegn på problemer ofte kommer for sent. Til den tid, patienten har ofte behov for yderligere operation, der indebærer risici svarende til den oprindelige procedure. Denne nye sensor kunne lade læger holde øje med et helbredende fartøj på afstand, skabe muligheder for tidligere indgreb.

Flow eller nej

Sensoren vikler sig tæt omkring det helbredende kar, hvor blod, der pulserer forbi, skubber på dens indre overflade. Efterhånden som overfladens form ændres, det ændrer sensorens kapacitet til at lagre elektrisk ladning, som læger kan opdage eksternt fra en enhed placeret nær huden, men uden for kroppen. Denne enhed kræver en aflæsning ved at pinge sensorens antenne, ligner en ID-kortscanner. I fremtiden, denne enhed kan komme i form af et stick-on plaster eller integreres i anden teknologi, som en bærbar enhed eller smartphone.

Forskerne testede først sensoren i et kunstigt miljø, hvor de pumpede luft gennem et rør på størrelse med en arterie for at efterligne pulserende blodgennemstrømning. Kirurg Yukitoshi Kaizawa, en tidligere postdoc ved Stanford og medforfatter af papiret, implanterede også sensoren omkring en arterie i en rotte. Selv i så lille skala, sensoren rapporterede blodgennemstrømning til den trådløse læser. På dette tidspunkt, de var kun interesserede i at opdage fuldstændige blokeringer, men de så tegn på, at fremtidige versioner af denne sensor kunne identificere finere udsving i blodgennemstrømningen.

Sensoren er en trådløs version af teknologi, som kemiingeniør Zhenan Bao har udviklet for at give proteser en delikat følelse af berøring.

"Denne her har en historie, " sagde Bao, K. K. Lee professor ved School of Engineering og co-senior forfatter af papiret. "Vi har altid været interesseret i, hvordan vi kan bruge den slags sensorer i medicinske applikationer, men det tog et stykke tid at finde den rigtige pasform."

Forskerne måtte modificere deres eksisterende sensormaterialer for at gøre den følsom over for pulserende blod, men stiv nok til at holde formen. De skulle også flytte antennen til et sted, hvor den ville være sikker, ikke påvirket af pulseringen, og redesign kondensatoren, så den kan placeres omkring en arterie.

"Det var et meget krævende projekt og krævede mange runder af eksperimenter og redesign, "sagde Levent Beker, medforfatter af papiret og en postdoktor i Bao-laboratoriet. "Jeg har altid været interesseret i medicinske og implantatapplikationer, og det kunne åbne op for mange muligheder for overvågning eller telemedicin for mange kirurgiske operationer."

At skabe forbindelser

Ideen om en arteriesensor begyndte at tage form, da tidligere postdoktor Clementine Boutry fra Bao-laboratoriet kontaktede Anaïs Legrand, som var postdoktor i Fox -laboratoriet, og forbandt disse grupper – sammen med James Changs laboratorium, Johnson og Johnson professor i kirurgi.

Når de først har sat sig til den biologisk nedbrydelige blodgennemstrømningsmåler, samarbejdet vandt en 2017 Postdocs ved Interface-frøbevillingen fra Stanford ChEM-H, som understøtter postdoktorale forskningssamarbejder, der udforsker potentielt transformative nye ideer.

"Vi værdsætter begge vores postdoktorale forskere, men forudså ikke den sande værdi, dette møde ville have for et langsigtet produktivt partnerskab, " sagde Fox.

Forskerne er nu ved at finde den bedste måde at fastgøre sensorerne til karrene og forfine deres følsomhed. De ser også frem til, hvilke andre ideer der kommer i takt med, at interessen for dette tværfaglige område vokser.

"At bruge sensorer til at give en patient mulighed for at opdage problemer tidligt er ved at blive en trend for præcision sundhed, " sagde Bao. "Det vil kræve folk fra ingeniørarbejde, fra lægeskole og datafolk til virkelig at arbejde sammen, og de problemer, de kan løse, er meget spændende."