Forskere udvikler 3D-printet epifluidisk elektronisk hud

I en nylig undersøgelse offentliggjort i Science Advances , har forskere fra California Institute of Technology, ledet af Dr. Wei Gao, udviklet en maskinlæring (ML)-drevet 3D-printet epifluidisk elektronisk hud til multimodal sundhedsovervågning. Denne bærbare platform muliggør fysisk og kemisk overvågning i realtid af sundhedsstatus.

Bærbart sundhedsudstyr har potentialet til at revolutionere den medicinske verden og tilbyder sporing i realtid, personlig behandling og tidlig diagnosticering af sygdomme.

En af hovedudfordringerne med disse enheder er imidlertid, at de ikke sporer data på molekylært niveau, og deres fremstilling er udfordrende. Dr. Gao forklarede, hvorfor dette tjente som en motivation for deres team.

"I dag er der stigende forskningsinteresse i personlig sundhedspleje for at revolutionere traditionel medicinsk praksis. For at overvinde disse udfordringer bruger vi vores 3D-printteknologi til at skabe væsentlige komponenter, såsom fysiske sensorer, kemiske sensorer, mikrofluidik og superkondensatorer, til vores bærbare platform," sagde Dr. Gao til Phys.org.

Dr. Gao og hans team har gjort præcis det ved at realisere masseproduktionen af ​​en bærbar platform kaldet e ³ -skin, som er 3D-printet på tilpassede materialer.

e ³ -skin:En 3D-printet epifluidisk elektronisk hud

Navnet e ³ -hud er afledt af "epifluidisk elastisk elektronisk hud." Det er et 3D-printet bærbart system, der kontinuerligt overvåger forskellige fysiologiske parametre og forudsiger adfærdsmæssige reaktioner.

Dr. Gao forklarede de forskellige komponenter i e ³ -skin, og sagde:"Alle hovedkomponenter af den bærbare platform, inklusive fysiske sensorer, kemiske sensorer, mikrofluidik og energilagringsmikro-superkondensatorer, kunne let forberedes via ekstrudering 3D-print af forskellige funktionelle materialer."

Hvad sætter e ³ - Skin apart er de 3D-printede biokemiske sensorer og mikrofluidiksystem. Integrationen af ​​3D-printteknologi er et centralt aspekt af e ³ -hudens skabelse.

3D-print tilbyder præcision og tilpasning, hvilket giver forskere mulighed for præcist at designe og fremstille væsentlige komponenter. Dette strømlinede produktionen og muliggjorde integration af komplekse strukturer og materialer, herunder de 3D-printede biokemiske sensorer og mikrofluidik.

Dr. Gao uddybede yderligere:"Bærbare biokemiske sensorer kunne give afgørende sundhedsoplysninger på molekylært niveau. Når de kombineres med biofysiske sensorer, kan de give mere omfattende information om vores sundhedstilstand."

Desuden har brugen af ​​mikrofluidik, videnskaben om at manipulere og kontrollere små mængder væsker i små kanaler eller enheder, hjulpet dem med at analysere biomarkørerne i menneskelig sved. Mikrofluidik kan inducere sved automatisk gennem iontoforese, opsamle det uden behov for anstrengende aktivitet, minimere svedfordampning og lette biokemiske analyser i realtid med friske svedprøver.

ML-assisteret bærbar medicinsk teknologi

e ³ -Skins muligheder strækker sig ud over dets hardwarekomponenter. Den integrerer ML-algoritmer, som spiller en central rolle i dens funktionalitet. Men før du dykker ned i ML, er det vigtigt at forstå det bemærkelsesværdige materiale, der gør e ³ -skin muligt:​​MXene.

MXene, en familie af 2D-materialer, er et alsidigt materiale kendt for sine unikke egenskaber. Vandig Ti₃ C₂ T_x (MXene) fungerede som blækket til 3D-print af forbindelserne og biofysiske sensorer i e ³ -hud.

Holdet brugte MXene til at løse en begrænsning med nuværende bærbare systemer. Med Dr. Gaos ord:"De fleste nuværende bærbare systemer er afhængige af batterier, som er stive, omfangsrige og utilstrækkelige, hvilket kræver hyppig udskiftning."

For at løse denne begrænsning skal e ³ -Skin integrerer en solcelle, høster energi fra omgivende lys og lagrer den effektivt i 3D-printede MXene-baserede mikro-superkondensatorer. Denne innovation muliggør batterifri, bæredygtig drift til langsigtet helbredsovervågning under daglige aktiviteter.

MXene nanoark besidder egenskaber såsom negativt ladede overflader og hydrofilicitet, som gør dem i stand til at sprede sig og forblive stabile i vand. Dette giver mulighed for præcis udskrivning med MXene-filamenter med justerbar linjebredde og evnen til at klæbe til fleksible substrater, som f.eks. menneskehud.

Dr. Gao understregede yderligere, "De trykte MXene-filamenter kan danne ensartede arrays med indviklede mønstre, hvilket muliggør skabelsen af ​​komplekse strukturer inden for e ³ -hud."

MXene's alsidighed strækker sig til temperaturføling, med sensorer, der udviser en negativ temperaturkoefficient og slidstabilitet.

Til pulsovervågning danner MXene i kombination med carbon nanorør sensorer med tilpassede skumdesigns, hvilket sikrer høj følsomhed og holdbarhed. Dette muliggør især pålidelig radial pulsovervågning på mennesker.

Desuden er e ³ -hudens evner strækker sig til at forudsige adfærdsmæssige reaktioner på alkoholforbrug, hvilket de demonstrerede. Dr. Gao udtalte:"I vores tilfælde brugte vi e ³ -hud til at indsamle information om både svedalkohol og vitale tegn (såsom hjertefrekvens og hudtemperatur), hvilket giver mere omfattende indsigt i adfærdsmæssige reaktioner."

ML analyserer disse data for at forudsige en persons responstid og graden af ​​svækkelse. Svedalkohol spiller en central rolle i at forudsige responstid, mens puls supplerer svedalkohol for mere nøjagtig forudsigelse af svækkelse.

Fremtiden for wearables

e ³ -huden viser et stort løfte, og høster det bedste af ML, materialer og medicin. "e ³ -hud giver spændende muligheder for at fremme bærbare biosensorer mod praktiske anvendelser i moderne sundhedspleje," fremhævede Dr. Gao.

Med sin kontinuerlige overvågning af vitale biomarkører og omfattende dataindsamling har den potentialet til at forudsige kognitive og adfærdsmæssige svækkelser og overvåge forskellige sundhedsaspekter.

Dataene indsamlet af e ³ -hud kunne forbedre personlig sundhedspleje ved at tillade tidlig advarsel, tidlig diagnose og rettidig intervention for at maksimere sundhedsresultater.

Dr. Gao afsluttede med at sige:"De store datasæt indsamlet af sådanne multimodale bærbare enheder i daglige aktiviteter kombineret med moderne ML-algoritmer kan udtrække det underliggende forhold mellem biomarkørniveauet og komplekse helbredstilstande.

"Dermed lover det at omforme feltet for wearable sundhedsovervågning og styrke datadrevet personlig sundhedspleje."

Flere oplysninger: Yu Song et al., 3D-printet epifluidisk elektronisk hud til maskinlæringsdrevet multimodal sundhedsovervågning, Science Advances (2023). DOI:10.1126/sciadv.adi6492

Journaloplysninger: Videnskabelige fremskridt

© 2023 Science X Network