Forskare vid ETH Zürich har utvecklat en ny typ av hälsoövervakningselektrod som uppvisar optimal vidhäftning mot huden och kan spela in signaler av hög kvalitet. Två unga spin-off-grundare vill göra det till en säljbar produkt redan i år.

Alla som någonsin har genomgått ett elektrokardiogram – t.ex. för att kontrollera sin hjärtkondition – kommer att vara bekant med elektroderna som läkaren fäster på bröstet. Dock, de konventionella elektrodmodellerna har avsevärda nackdelar:hårdmetalliska elektroder är obekväma att bära och lämpar sig inte för mätning under längre perioder. Gelelektroder, den typ som oftast används i den dagliga kliniska praktiken, orsakar ofta hudirritation eller till och med allergiska reaktioner hos patienter.

Nu, ETH-forskare under ledning av Janos Vörös, professor i bioelektronik, och Christopher Hierold, Professor i mikro- och nanosystem, har hittat en lösning. De har utvecklat en elektrod som är lika elastisk som huden, så att det knappt märks för bäraren. Den speciella ytstrukturen gör att signaler från hjärtat och hjärnan kan registreras i hög kvalitet. Forskarna publicerade nyligen detaljer om sitt arbete i tidskriften Avancerat vårdmaterial .

Inspirerad av naturen

För den nya elektroden, forskarna använde ett mjukt material – en icke-irriterande blandning av silikongummi och ledande silverpartiklar – som härrörde från ett tidigare forskningsprojekt av Vörös grupp. För ytstrukturen, forskarna tittade på naturen för inspiration:de använde mekanismen som gör att gräshoppor kan gå även på vertikala ytor.

Sulorna på dessa insekters fötter är täckta med otaliga små dynor, som ser ut som svamphuvuden i mikroskop och är ordnade som en mosaik. När de kommer i kontakt med en annan yta, en vidhäftande effekt uppstår, känd i tekniska termer som Van der Waals interaktion.

Forskarna tillämpade denna mikrostruktur på sitt material, skapar en elektrodyta som fäster på huden. Dessutom, den speciella geometrin på mikroskopisk nivå maximerar kontaktytan mellan hud och elektrod, gör att signaler kan spelas in i mycket hög kvalitet.

Från renrummet till poolen

Forskarna skapade prototyperna i ett renrum med hjälp av en specialutvecklad tillverkningsprocess. De belade ett basskikt med två olika färger och täckte det med en exakt perforerad mask. Sedan, de exponerade provet för ljus, vilket gjorde den övre ljuskänsliga färgen direkt under perforeringarna löslig. Nästa, de nedsänkte det i en kemisk lösning som först attackerade de lösliga områdena i det övre lagret av färg, innan du går igenom det andra lagret av färg. I detta skede, forskarna stoppade nedbrytningsprocessen vid exakt rätt punkt för att skapa gjutformen med bara inverterade svamphuvuden. När gjuten, detta gav en specifikt strukturerad adhesiv elektrodyta.

För att kontrollera om elektroderna fungerar även under utmanande förhållanden, forskarna testade dem på en simmare. På grund av vattenmotstånd och de kraftiga rörelserna som är involverade i simning, detta anses vara en särskilt utmanande disciplin för prestandaövervakning med hjälp av elektroder. Resultaten var imponerande:kvaliteten på signalerna som registrerades av de nya elektroderna var betydligt bättre än på gelelektroderna som simmaren också bar. Sålänge, Zürichs sjöräddningstjänst har redan visat intresse för de nya elektroderna och använder dem som en del av en pågående studie.

Förutom elektroder för att registrera hjärtminutvolymkurvor (elektrokardiogram eller EKG), forskarna har också utvecklat en elektrod för mätning av hjärnans signaler, känd som elektroencefalografi (EEG). Materialkombinationen är densamma för båda typerna av elektroder, men strukturerna skiljer sig åt:EEG-elektroderna behöver inte den vidhäftande mikrostrukturen, eftersom de är fästa med ett lock. Istället, deras yta är utrustad med flera finnar på två till fyra millimeter höga som tillåter kontakt med hårbotten även genom tjockt hår. Således, rakning och gel krävs inte.

Nästa steg:industrialisering

Séverine Chardonnens och Simon Bachmann, två av studiens författare, var övertygade om marknadspotentialen för sådana elektroder från början. Redan innan de avslutade sin magisterexamen, de drev vidare med idén att etablera ett eget företag – och de var framgångsrika:de två begåvade unga forskarna antogs till finansieringsprogrammen Venture Kick och CTI och har redan fått en hel del såddkapital genom start-up-tävlingar.

Efter den framgångsrika utvecklingen av prototypelektroden och det officiella grundandet av IDUN Technologies som en ETH spin-off i november 2017, Chardonnens och Bachmann utvärderar nu vilken applikation de först ska koncentrera sig på. De är engagerade i intensiva diskussioner med en mängd olika industripartners och forskargrupper. "Kommersialisering är värt besväret i applikationer där de nya elektroderna erbjuder de största fördelarna jämfört med befintliga modeller, " säger Bachmann. "Vi ser potential i långtidsövervakning av patienter, inom övervakning av sportprestanda och på EEG-marknaden."

Efter att frågan om strategisk inriktning har avgjorts, Chardonnens kommer att fokusera på industrialiseringsprocessen i sin roll som huvudutvecklare, medan Bachmann i första hand kommer att koncentrera sig på förvärv av partners och kunder i egenskap av VD. "Om allt går som planerat, vi kommer att kunna sälja de första elektroderna redan i år, säger Chardonnens.