Implanteerbare sensor kan lichaamsfuncties meten - en vervolgens veilig biologisch afbreken

Sensoren die de toestand van een patiënt tijdens en na medische procedures bewaken, kunnen duur, ongemakkelijk en zelfs gevaarlijk zijn. Nu heeft een internationaal team van onderzoekers een zeer gevoelige flexibele gassensor ontworpen die in het lichaam kan worden geïmplanteerd en, nadat deze niet langer nodig is, veilig biologisch kan worden afgebroken tot materialen die door het lichaam worden opgenomen.

In een onderzoek meldden onderzoekers van Penn State dat ze een flexibele en implanteerbare sensor hebben ontworpen die verschillende vormen van stikstofmonoxide (NO) en stikstofdioxide (NO2) in het lichaam kan volgen. Monitoring van dit soort gassen is belangrijk omdat ze een gunstige of soms schadelijke rol kunnen spelen in de menselijke gezondheid.

Stikstofmonoxide bijvoorbeeld, dat van nature in het menselijk lichaam wordt geproduceerd, speelt een belangrijke rol in de gezondheid omdat het de bloedvaten ontspant of verwijdt om de bloedstroom te verbeteren, waardoor zuurstof en voedingsstoffen door het lichaam kunnen circuleren. Aan de andere kant is blootstelling aan stikstofdioxide uit de omgeving gekoppeld aan de progressie van aandoeningen zoals chronische obstructieve longziekte. Stikstofmonoxide is zeer reactief en kan bij blootstelling aan zuurstof worden omgezet in stikstofdioxide.

Het team voegde een draai toe aan hun sensorontwerp door het te maken van materialen die niet alleen implanteerbaar, flexibel en rekbaar zijn, maar ook biologisch afbreekbaar. Terwijl de huidige apparaten buiten het lichaam worden gebruikt om gasniveaus te controleren, zei Cheng dat ze omvangrijk zijn en mogelijk niet zo nauwkeurig als een implanteerbaar apparaat. Implanteerbare apparaten moeten echter worden verwijderd, wat een andere operatie kan betekenen. De onderzoekers onderzochten een ontwerp dat niet verwijderd hoeft te worden.

“Stel dat u een hartoperatie heeft ondergaan; de monitor buiten het lichaam is misschien niet voldoende om het gas te detecteren,” zei professor Huanyu “Larry”Cheng. "Het kan veel voordeliger zijn om de gasniveaus van het hartoppervlak of van interne organen te controleren. Deze gassensor is implanteerbaar en ook biologisch afbreekbaar, een andere onderzoeksrichting waaraan we hebben gewerkt. Als de patiënt volledig herstelt van een chirurgische ingreep, heeft hij het apparaat niet meer nodig, wat biologisch afbreekbare apparaten nuttig maakt.”

Volgens de onderzoekers zijn alle componenten biologisch afbreekbaar in water of in lichaamsvloeistoffen, maar blijven ze functioneel genoeg om de informatie over de gasniveaus vast te leggen. In dit geval maakten de onderzoekers de elektrische geleiders van het apparaat van magnesium en voor de functionele materialen gebruikten ze silicium, dat ook zeer gevoelig is voor stikstofmonoxide. Silicium is uniek - het is de bouwsteen voor moderne elektronica, wordt als superstabiel beschouwd en is biologisch afbreekbaar. Het kan heel langzaam oplossen, ongeveer één tot twee nanometer per dag, afhankelijk van de omgeving. Het lichaam kan niet alleen alle materialen die in het apparaat worden gebruikt veilig absorberen, maar ze lossen ook langzaam genoeg op zodat de sensoren in het lichaam kunnen functioneren tijdens de herstelperiode van een patiënt.

De sensor werd getest in vochtige omstandigheden en waterige oplossingen om aan te tonen dat hij stabiel kon presteren in de zware omstandigheden van het lichaam. Het team gebruikte computerbronnen van de Roar-supercomputer van ICDS om computersimulaties te maken die extreem kleine veranderingen kunnen berekenen die worden veroorzaakt door kleine vormveranderingen of vervormingen van het materiaal. Ze baseerden hun meting op weerstand, die kan veranderen op basis van de gasabsorptie.

De onderzoekers zeggen dat toekomstig werk zou kunnen kijken naar het ontwerpen van geïntegreerde systemen die andere lichaamsfuncties kunnen monitoren voor gezond ouder worden en verschillende ziektetoepassingen.