UC San Diego's slimme hulsplaster biedt real-time bloeddruk, hartslag en biochemische monitoring

Ingenieurs van de Universiteit van Californië San Diego hebben een zacht, elastisch hulsplaster ontwikkeld dat op de hals kan worden gedragen om continu bloeddruk en hartslag te meten, terwijl tegelijkertijd de glucose-, lactaat-, alcohol- of caffeïnegehalten van de drager worden gemeten. Het is het eerste wearable apparaat dat cardiovasculaire signalen en meerdere biochemische niveaus in het menselijk lichaam tegelijkertijd monitort.

Zo'n apparaat kan individuen die hoge bloeddruk en diabetes managen ten goede komen — individuen die ook een hoog risico lopen ernstig ziek te worden met COVID-19. Het kan ook gebruikt worden om de aanvang van sepsis te detecteren, wat gekenmerkt wordt door een plotselinge daling in bloeddruk vergezeld van een snelle stijging in lactaatniveau.

Eén zacht hulsplaster dat het allemaal kan doen, zou ook een handige alternatief bieden voor patiënten in intensive care eenheden, inclusief zuigelingen in de NICU, die continue monitoring van bloeddruk en andere vitale functies nodig hebben. Deze procedures omvatten momenteel het invoegen van cateters diep in de arteriële vaten van patiënten en het vastbinden van patiënten aan meerdere ziekenhuismonitors.

"De नवीनता hier is dat we volledig verschillende sensoren nemen en samenvoegen op een enkel platform zo klein als een postzegel," zei Joseph Wang, een professor nano-engineering aan UC San Diego. "We kunnen zoveel informatie verzamelen met deze ene wearable en dat op een non-invasieve manier, zonder ongemak of onderbreking van dagelijkse activiteit te veroorzaken."

Het plaster is een dun vel van elastische polymeren dat zich aan de huid kan aanpassen. Het is uitgerust met een bloeddruksensor en twee chemische sensoren — één die lactaat (een biomarker voor fysieke inspanning), caffeïne en alcohol in zweet meet, en een andere die glucoseniveaus in interstitiële vocht meet.

Het plaster kan drie parameters tegelijk meten, één per sensor: bloeddruk, glucose, en lactaat, alcohol of caffeïne.

De bloeddruksensor zit nabij het midden van het plaster. Deze bestaat uit een set kleine ultrasoonschakelaars die met conductieve inkt aan het plaster zijn gelast. Een spanning die aan de schakelaars wordt toegepast, zorgt ervoor dat ze ultrasoongolven in het lichaam zenden. Wanneer de ultrasoongolven afkaatsen op een slagader, detecteert de sensor de echo's en vertaalt de signalen naar een bloeddrukmeting.

De chemische sensoren zijn twee elektroden die op het plaster zijn gescreend met conductieve inkt. De elektrode die lactaat, caffeïne en alcohol meet, is aan de rechterkant geprint; deze werkt door een middel genaamd pilocarpine in de huid vrij te maken om zweet te stimuleren en de chemische stoffen in het zweet te detecteren. De andere elektrode, die glucose meet, is aan de linkerkant geprint; deze werkt door een milde elektrische stroom door de huid te laten lopen om interstitiële vocht vrij te maken en de glucose in dat vocht te meten.

De onderzoekers waren geïnteresseerd in het meten van deze specifieke biomarkers omdat ze de bloeddruk beïnvloeden. "We kozen parameters die ons een nauwkeurigere, betrouwbaardere bloeddrukmeting zouden geven," zei Juliane Sempionatto, een nano-engineering Ph.D. student in Wang's lab.

"Stel je voor dat u uw bloeddruk monitort, en u ziet pieken over de dag en denkt dat er iets mis is. Een biomarker-metelling kan u vertellen of die pieken te wijten waren aan inname van alcohol of caffeïne. Deze combinatie van sensoren kan u die soort informatie geven," zei ze.

In testen droegen proefpersonen het plaster op de hals tijdens het uitvoeren van diverse combinaties van de volgende taken: fietsen op een hometrainer; een hoog-suikerrijk maaltijd eten; een alcoholische drank nuttigen; en een cafeïnehoudende drank nuttigen. Metingen van het plaster kwamen nauw overeen met die verzameld door commerciële monitoringapparaten zoals een bloeddrukmanschet, bloedlactaatmeter, glucometer, en alcoholtester. Metingen van de caffeïneniveaus van de dragers werden in het lab geverifieerd door zweetmonsters met caffeïne te spiken.

Een van de grootste uitdagingen in het maken van het plaster was het elimineren van interferentie tussen de sensorensignalen. Hiervoor moesten de onderzoekers de optimale afstand tussen de bloeddruksensor en de chemische sensoren bepalen. Ze vonden dat één centimeter spacing voldeed, terwijl het apparaat zo klein mogelijk bleef.

De onderzoekers moesten ook uitvinden hoe de chemische sensoren fysiek te beschermen tegen de bloeddruksensor. De laatste wordt normaal geleverd met vloeibaar ultrasoongel om duidelijke metingen te produceren. Maar de chemische sensoren zijn ook uitgerust met hun eigen hydrogels, en het probleem is dat als enig vloeibaar gel van de bloeddruksensor uitloopt en contact maakt met de andere gels, het interferentie tussen de sensoren zal veroorzaken. Dus in plaats daarvan gebruikten de onderzoekers een vast ultrasoongel, wat ze vonden even goed werkt als de vloeibare versie maar zonder lekkage.

Het team werkt al aan een nieuwe versie van het plaster, een met nog meer sensoren. "Er zijn kansen om andere biomarkers te monitoren geassocieerd met diverse ziekten. We kijken ernaar om meer klinische waarde aan dit apparaat toe te voegen," zei Sempionatto.

Lopend werk omvat ook het verkleinen van de elektronica voor de bloeddruksensor. Op dit moment moet de sensor verbonden zijn met een voedingsbron en een bankapparaat om de metingen weer te geven. Het uiteindelijke doel is om al dit op het plaster te zetten en alles draadloos te maken.