Babys auf der Intensivstation für Neugeborene (NICU) sind winzig, zerbrechlich und mit Drähten bedeckt. Drähte zur Überwachung der Herzfrequenz, Drähte zur Überwachung des Blutdrucks, Drähte zur Überwachung der Temperatur, Drähte zur Überwachung der Sauerstoffversorgung des Blutes. Es macht es den Babys schwer, mit ihren kleinen Armen zu winken, und es macht es den Eltern noch schwerer, sie zu berühren, geschweige denn sie aufzuheben.
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Jetzt, dank eines Fortschritts in der Materialwissenschaft, könnten diese Drähte irgendwann verschwinden. Forscher der Northwestern University haben unglaublich dünne, dehnbare elektronische Patches entwickelt, mit denen eine Vielzahl von Vitalfunktionen und Körperbewegungen überwacht werden können.
Diese Pflaster „haben das starke Potenzial, die menschliche Gesundheit und Rehabilitation effizienter und effektiver zu gestalten“, sagt John Rogers, der Wissenschaftler, der die Forschung geleitet hat.
Die Patches, die sich derzeit in Versuchen mit Menschen befinden, ähneln mehr oder weniger temporären Tätowierungen. Sie entstehen, indem winzige Halbleiterchips auf ein dehnbares Substrat gelegt werden. Das Substrat ist mit Wellenmustern aus Metallfilamenten eingebettet, die es ermöglichen, elektrische Signale zu übertragen. Das Ganze verwendet winzige Antennen, um Informationen drahtlos zu übertragen, sodass sie nicht an Drähten oder Schläuchen befestigt werden müssen. Rogers nennt die Patches "epidermale Elektronik".
Der Nutzen für Babys auf der Intensivstation liegt auf der Hand: In frühen Studien war ein Baby, das immer wieder die Kabel traditioneller Sensoren abzog, von der epidermalen Elektronik völlig unbeeindruckt. Aber es sind nicht nur NICU-Babys, die davon profitieren können. Rogers und sein Team testen außerdem epidermale Elektronik in verschiedenen Bereichen. Ein Bereich ist die Rehabilitationsmedizin. Ab Juni wird Rogers 'Team eine Studie mit Patienten mit Parkinson-Krankheit starten, die häufig durch unwillkürliches Zittern geschwächt werden. Die Studie beinhaltet das Anbringen von Pflastern an verschiedenen Stellen des gesamten Körpers des Probanden und deren Verwendung zur Messung der Muskelaktivität und der Bewegungseigenschaften.
"Das Ziel ist es, ausreichend genaue Analysen zu entwickeln, mit denen wir das wirklich frühe Auftreten von Zittern bestimmen, die Entwicklung der Krankheit charakterisieren und auch die Wirksamkeit der Medikamente bestimmen können", sagt Rogers.
Durch die Überwachung der neuromuskulären Aktivität der Patienten konnten die Forscher anhand der winzigen Zunahme des Zitterns sogar herausfinden, ob die Patienten ihre Medikamente ausgelassen hatten.
Dieselbe Technologie könnte für Schlaganfallpatienten nützlich sein und es Ärzten ermöglichen, ihre Fortschritte während der Rehabilitation zu Hause zu verfolgen.
Rogers und sein Team testen derzeit mit verschiedenen professionellen Sportteams epidermale Elektronik (es steht Rogers nicht frei zu sagen, welche, aber sie umfassen Fußball-, Baseball- und Basketballteams). Die Technologie könnte den Trainingsfortschritt verfolgen, sodass Trainer beispielsweise sehen können, ob ein Pitcher die richtige Form verwendet. Es könnte auch die winzigen Bewegungsänderungen überwachen, die Müdigkeit auf dem Spielfeld signalisieren, sodass Trainer sehen können, wenn ein Spieler zu müde ist, um optimal zu spielen, lange bevor es für andere offensichtlich ist.
"Die Idee ist, diese Geräte so zu gestalten, dass Sie Herzfrequenz, Nickmechanik, Freiwurfmechanik [und mehr] überwachen können", sagt Rogers.
Rogers beschäftigt sich seit Jahren mit flexibler Elektroniktechnologie. Im Jahr 2011 veröffentlichte er einen Artikel in Science, in dem er einen Prototyp seiner Hautpflaster beschrieb, den er später verbesserte, um sie haltbarer zu machen. 2015 brachte sein Labor eine Version der Pflaster heraus, mit denen der Blutfluss gemessen werden konnte, und letztes Jahr erstellten sie ein Pflaster, um Schweiß auf biochemische Marker zu analysieren. In einem Kommentar zu Rogers ' wissenschaftlicher Arbeit schrieb Ingenieur Zhenqiang Ma, dass die epidermale Elektronik möglicherweise viele der derzeitigen Probleme bei der Gesundheitsüberwachung lösen und "eine einfachere, zuverlässigere und ununterbrochenere Überwachung ermöglichen könnte". Er schrieb auch, dass "andere Arten von elektronischen Skins mit Anwendungen jenseits der Physiologie, wie z. B. Körperwärme und tragbare Radios, ebenfalls interessante Richtungen für die zukünftige Arbeit aufzeigen könnten".
Während Rogers als Vater der epidermalen Elektronik gilt, arbeiten eine Reihe von Forschern daran, die Technologie auf verschiedene Weise voranzutreiben. Einige glauben, dass flexible Elektronik eines Tages für Anwendungen außerhalb der Haut, wie Herzschrittmacher, verwendet wird, und möglicherweise sogar als kontinuierliche Gesundheitsüberwachung allgegenwärtig wird, bei der ständig Dinge wie der Blutsauerstoffgehalt und der Blutzucker überprüft werden. Forscher von Stanford über MIT bis hin zu Universitäten in Japan und Schweden arbeiten an verschiedenen Aspekten der flexiblen Elektronik, unter anderem daran, die Technologie kleiner und langlebiger zu machen.
Das Kosmetikunternehmen Laroche-Posay hat ein herzförmiges Pflaster zur Überwachung der UV-Exposition entwickelt. Derzeit gibt es eine Warteliste für das Gerät. Im Gegensatz zu Rogers 'epidermaler Elektronik, die Daten drahtlos überträgt, ändert der UV-Patch die Farbe. Eine entsprechende Smartphone-App liest die Farbveränderungen und teilt Ihnen mit, ob Sie zu lange in der Sonne waren.
Nach 10 Jahren Arbeit in der Entwicklung epidermaler Elektronik geht es bei den verbleibenden Herausforderungen weniger um Engineering als um Optimierung und Sicherheit, sagt Rogers. Da die Geräte drahtlos übertragen, ist die Datenverschlüsselung ein Problem. Rogers hofft auch, die Geräte weiterentwickeln zu können, um möglicherweise Biofluide wie Schweiß zu entnehmen und chemische Analysen von Biomarkern durchzuführen, die auf Gesundheit oder Krankheit hinweisen. (Rogers hat bereits in diesem Bereich gearbeitet.) Das Team prüft auch die Entwicklung von Geräten zur Abgabe von Flüssigkeiten über die Haut, die eine unauffällige Möglichkeit sein könnten, Medikamente zu verabreichen.
"Wir sind ziemlich optimistisch", sagt Rogers. "Es gibt eine Menge Dinge, die wir heute tun können, und es gibt viel Potenzial für zusätzliche Dinge in der Zukunft."
