Nieuwe skinpatch brengt ons dichter bij draagbare alles-in-één gezondheidsmonitor

Ingenieurs van de Universiteit van Californië in San Diego hebben een zachte, rekbare huidpleister ontwikkeld die in de nek kan worden gedragen om continu de bloeddruk en hartslag te volgen terwijl de glucose-, lactaat-, alcohol- of cafeïneniveaus van de drager worden gemeten. Het is het eerste draagbare apparaat dat tegelijkertijd cardiovasculaire signalen en meerdere biochemische niveaus in het menselijk lichaam bewaakt.

Een dergelijk apparaat zou voordelen kunnen bieden aan personen die hoge bloeddruk en diabetes hebben – personen die ook een hoog risico lopen ernstig ziek te worden door COVID-19. Het kan ook worden gebruikt om het begin van sepsis te detecteren, die wordt gekenmerkt door een plotselinge daling van de bloeddruk en een snelle stijging van het lactaatgehalte.

Eén zachte huidpleister die alles kan, zou ook een handig alternatief zijn voor patiënten op intensive care-afdelingen, inclusief baby's op de NICU, die voortdurend de bloeddruk en andere vitale functies moeten controleren. Deze procedures omvatten momenteel het inbrengen van katheters diep in de slagaders van de patiënt en het vastbinden van patiënten aan meerdere ziekenhuismonitoren.

"De nieuwigheid hier is dat we compleet verschillende sensoren nemen en ze samenvoegen op een enkel platform zo klein als een postzegel", zegt Joseph Wang, een professor in nano-engineering aan UC San Diego. "We kunnen zoveel informatie verzamelen met deze wearable en dit op een niet-invasieve manier, zonder ongemak of onderbrekingen van de dagelijkse activiteit te veroorzaken."

De pleister is een dun vel rekbare polymeren die zich aan de huid kunnen aanpassen. Het is uitgerust met een bloeddruksensor en twee chemische sensoren - een die het lactaatgehalte (een biomarker voor lichamelijke inspanning), cafeïne en alcohol in zweet meet, en een andere die het glucosegehalte in interstitiële vloeistof meet.

De pleister kan drie parameters tegelijk meten, één van elke sensor:bloeddruk, glucose en lactaat, alcohol of cafeïne.

De bloeddruksensor bevindt zich in het midden van de pleister. Het bestaat uit een set kleine ultrasone transducers die met geleidende inkt aan de patch zijn gelast. Een spanning die op de transducers wordt toegepast, zorgt ervoor dat ze ultrasone golven het lichaam in sturen. Wanneer de ultrasone golven weerkaatsen op een slagader, detecteert de sensor de echo's en vertaalt de signalen in een bloeddrukmeting.

De chemische sensoren zijn twee elektroden die met geleidende inkt op de pleister zijn gezeefdrukt. De elektrode die lactaat, cafeïne en alcohol detecteert, is aan de rechterkant van de pleister gedrukt; het werkt door een medicijn genaamd pilocarpine in de huid af te geven om zweet op te wekken en de chemische stoffen in het zweet te detecteren. De andere elektrode, die glucose detecteert, is aan de linkerkant gedrukt; het werkt door een milde elektrische stroom door de huid te sturen om interstitiële vloeistof vrij te geven en de glucose in die vloeistof te meten.

De onderzoekers waren geïnteresseerd in het meten van deze specifieke biomarkers omdat ze invloed hebben op de bloeddruk. "We kozen parameters die ons een nauwkeurigere, betrouwbaardere bloeddrukmeting zouden geven", zegt Juliane Sempionatto, een nanoengineering Ph.D. student in Wangs lab.

"Stel dat u uw bloeddruk in de gaten houdt en dat u gedurende de dag pieken ziet en denkt dat er iets mis is. Een biomarkermeting zou u kunnen vertellen of die pieken te wijten waren aan een inname van alcohol of cafeïne. Deze combinatie van sensoren kan je dat soort informatie geven,” zei ze.

In tests droegen proefpersonen de patch om de nek tijdens het uitvoeren van verschillende combinaties van de volgende taken:trainen op een hometrainer; het eten van een suikerrijke maaltijd; het drinken van een alcoholische drank; en het drinken van een cafeïnehoudende drank. Metingen van de pleister kwamen nauw overeen met die verzameld door commerciële bewakingsapparatuur zoals een bloeddrukmanchet, bloedlactaatmeter, glucometer en ademanalyse. Metingen van het cafeïnegehalte van de dragers werden geverifieerd in het laboratorium door zweetmonsters te meten die waren verrijkt met cafeïne.

Een van de grootste uitdagingen bij het maken van de patch was het elimineren van interferentie tussen de signalen van de sensoren. Om dit te doen, moesten de onderzoekers de optimale afstand tussen de bloeddruksensor en de chemische sensoren bepalen. Ze ontdekten dat één centimeter afstand voldoende was, terwijl het apparaat zo klein mogelijk bleef.

De onderzoekers moesten ook uitzoeken hoe ze de chemische sensoren fysiek konden afschermen van de bloeddruksensor. De laatste is normaal gesproken uitgerust met een vloeibare ultrasone gel om duidelijke metingen te produceren. Maar de chemische sensoren zijn ook uitgerust met hun eigen hydrogels, en het probleem is dat als er vloeibare gel uit de bloeddruksensor stroomt en contact maakt met de andere gels, dit interferentie tussen de sensoren zal veroorzaken. Dus in plaats daarvan gebruikten de onderzoekers een vaste ultrasone gel, waarvan ze vonden dat deze even goed werkt als de vloeibare versie, maar zonder de lekkage

Het team werkt al aan een nieuwe versie van de patch, een met nog meer sensoren. “Er zijn mogelijkheden om andere biomarkers geassocieerd met verschillende ziekten te monitoren. We willen meer klinische waarde toevoegen aan dit apparaat”, aldus Sempionatto.

Lopend werk omvat ook het verkleinen van de elektronica voor de bloeddruksensor. Op dit moment moet de sensor worden aangesloten op een stroombron en een tafelmodel om de meetwaarden weer te geven. Het uiteindelijke doel is om deze allemaal op de patch te zetten en alles draadloos te maken.