I en nyligen publicerad studie publicerad i Science Advances , har forskare från California Institute of Technology, ledd av Dr. Wei Gao, utvecklat en maskininlärning (ML)-driven 3D-printad epifluidisk elektronisk hud för multimodal hälsoövervakning. Denna bärbara plattform möjliggör fysisk och kemisk övervakning i realtid av hälsostatus.
Bärbara hälsoprodukter har potential att revolutionera den medicinska världen, och erbjuder spårning i realtid, personliga behandlingar och tidig diagnos av sjukdomar.
En av de största utmaningarna med dessa enheter är dock att de inte spårar data på molekylär nivå, och deras tillverkning är utmanande. Dr. Gao förklarade varför detta fungerade som en motivation för deras team.
"Nuförtiden finns det ett ökande forskningsintresse för personlig hälsovård för att revolutionera traditionell medicinsk praxis. För att övervinna dessa utmaningar använder vi vår 3D-utskriftsteknik för att skapa viktiga komponenter, såsom fysiska sensorer, kemiska sensorer, mikrofluidik och superkondensatorer, för våra bärbara enheter. plattform," sa Dr. Gao till Phys.org.
Dr. Gao och hans team har gjort exakt det genom att realisera massproduktionen av en bärbar plattform som heter e 3 -skin, som är 3D-printad på skräddarsydda material.
e 3 -skin:En 3D-printad epifluidisk elektronisk hud
Namnet e 3 -hud härrör från "epifluidiskt elastisk elektronisk hud." Det är ett 3D-printat bärbart system som kontinuerligt övervakar olika fysiologiska parametrar och förutsäger beteendereaktioner.
Dr. Gao förklarade de olika komponenterna i e 3 -skin, och sa:"Alla huvudkomponenter i den bärbara plattformen, inklusive fysiska sensorer, kemiska sensorer, mikrofluidik och energilagringsmikro-superkondensatorer, kan lätt förberedas via extrudering 3D-utskrift av olika funktionella material."
Vad ställer in e 3 - Skin apart är de 3D-printade biokemiska sensorerna och mikrofluidiksystemet. Integrationen av 3D-utskriftsteknik är en central aspekt av e 3 -hudens skapelse.
3D-utskrift erbjuder precision och anpassning, vilket gör det möjligt för forskare att exakt designa och tillverka viktiga komponenter. Detta effektiviserade produktionen och möjliggjorde integrering av komplexa strukturer och material, inklusive 3D-printade biokemiska sensorer och mikrofluidik.
Dr. Gao utvecklade ytterligare, "Bärbara biokemiska sensorer kan ge viktig hälsoinformation på molekylära nivåer. När de kombineras med biofysiska sensorer kan de ge mer omfattande information om vårt hälsotillstånd."
Dessutom har användningen av mikrofluidik, vetenskapen om att manipulera och kontrollera små mängder vätskor i små kanaler eller enheter, hjälpt dem att analysera biomarkörerna i mänsklig svett. Mikrofluidik kan inducera svett automatiskt genom jontofores, samla in den utan behov av ansträngande aktivitet, minimera svettavdunstning och underlätta biokemisk analys i realtid med färska svettprover.
e 3 -Skins möjligheter sträcker sig utöver dess hårdvarukomponenter. Den integrerar ML-algoritmer, som spelar en avgörande roll i dess funktionalitet. Men innan du fördjupar dig i ML är det viktigt att förstå det anmärkningsvärda materialet som gör e 3 -skin möjligt:MXene.
MXene, en familj av 2D-material, är ett mångsidigt material känt för sina unika egenskaper. Vattenhaltig Ti3 C2 Tx (MXene) fungerade som bläck för 3D-utskrift av sammankopplingar och biofysiska sensorer i e 3 -hud.
Teamet använde MXene för att åtgärda en begränsning med nuvarande bärbara system. Med Dr. Gaos ord, "De flesta nuvarande bärbara system är beroende av batterier, som är stela, skrymmande och otillräckliga, vilket kräver frekventa utbyten."
För att åtgärda denna begränsning, e 3 -Skin integrerar en solcell, skördar energi från omgivande ljus och lagrar den effektivt i 3D-printade MXene-baserade mikrosuperkondensatorer. Denna innovation möjliggör batterifri, hållbar drift för långsiktig hälsoövervakning under dagliga aktiviteter.
MXene nanosheets har egenskaper som negativt laddade ytor och hydrofilicitet, vilket gör att de kan spridas och förbli stabila i vatten. Detta möjliggör exakt utskrift, med MXene-filament som har justerbara linjebredder och förmågan att fästa på flexibla substrat, som mänsklig hud.
Dr. Gao betonade vidare, "De tryckta MXene-filamenten kan bilda enhetliga arrayer med intrikata mönster, vilket möjliggör skapandet av komplexa strukturer inom e 3 -hud."
MXenes mångsidighet sträcker sig till temperaturavkänning, med sensorer som uppvisar en negativ temperaturkoefficient och slitstyrka.
För pulsövervakning bildar MXene, i kombination med kolnanorör, sensorer med anpassningsbara skumdesigner, vilket säkerställer hög känslighet och hållbarhet. Detta möjliggör tillförlitlig radiell pulsövervakning på mänskliga försökspersoner.
Dessutom är e 3 -hudens förmåga sträcker sig till att förutsäga beteendemässiga reaktioner på alkoholkonsumtion, vilket de visade. Dr. Gao sa:"I vårt fall använde vi e 3 -huden samlar in information om både svettalkohol och vitala tecken (såsom hjärtfrekvens och hudtemperatur), vilket ger en mer omfattande inblick i beteendereaktioner."
ML analyserar dessa data för att förutsäga en individs svarstid och grad av funktionsnedsättning. Svettalkohol spelar en avgörande roll för att förutsäga svarstid, medan hjärtfrekvens kompletterar svettalkohol för mer exakt förutsägelse av funktionsnedsättning.
e 3 -Skin visar mycket lovande, skördar det bästa av ML, material och medicin. "e 3 -hud ger spännande möjligheter att utveckla bärbara biosensorer mot praktiska tillämpningar i modern hälsovård," betonade Dr. Gao.
Med sin kontinuerliga övervakning av vitala biomarkörer och omfattande datainsamling har den potential att förutsäga kognitiva och beteendemässiga störningar och övervaka olika hälsoaspekter.
Data som samlas in av e 3 -hud skulle kunna förbättra personlig hälsovård genom att tillåta tidig varning, tidig diagnos och snabba ingripanden för att maximera hälsoresultaten.
Dr. Gao avslutade med att säga:"De stora uppsättningarna data som samlas in av sådana multimodala bärbara enheter i dagliga aktiviteter tillsammans med moderna ML-algoritmer kan extrahera det underliggande förhållandet mellan biomarkörnivån och komplexa hälsotillstånd.
"Därmed lovar det att omforma området för bärbar hälsoövervakning och stärka datadriven personlig hälsovård."
Mer information: Yu Song et al, 3D-printad epifluidisk elektronisk hud för maskininlärningsdriven multimodal hälsoövervakning, Science Advances (2023). DOI:10.1126/sciadv.adi6492
Journalinformation: Vetenskapens framsteg
© 2023 Science X Network
