Biologisch afbreekbare inplantbare sensor stelt realtime monitoring van lichamelijke functies in

Sensoren die de toestand van een patiënt monitoren tijdens en na medische procedures kunnen duur, ongemakkelijk en zelfs gevaarlijk zijn. Nu heeft een internationaal team onderzoekers een hooggevoelige flexibele gassensor ontworpen die in het lichaam geïmplanteerd kan worden — en, nadat het niet meer nodig is, veilig biologisch afbreekt in materialen die door het lichaam geabsorbeerd worden.

In een studie rapporteerden Penn State-onderzoekers dat ze een flexibele en inplantbare sensor ontwierpen die verschillende vormen van stikstofoxide (NO) en stikstofdioxide (NO2) gas in het lichaam kan monitoren. Het monitoren van deze typen gassen is belangrijk omdat ze een gunstige, of soms schadelijke, rol in de menselijke gezondheid kunnen spelen.

Stikstofoxide, bijvoorbeeld, wat natureel in het menselijk lichaam geproduceerd wordt, speelt een belangrijke rol in de gezondheid omdat het bloedvaten ontspan of verwijdt om de bloedstroom te verbeteren, wat zuurstof en nutriënten toelaat om door het lichaam te circuleren. Aan de andere kant is blootstelling aan stikstofdioxide uit de omgeving gelinkt aan de progressie van condities zoals chronische obstructieve longziekte. Stikstofoxide is hoogst reactief en kan getransformeerd worden in stikstofdioxide wanneer blootgesteld aan zuurstof.

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

"Stel je voor dat u een cardiale chirurgische operatie heeft; de monitor buiten het lichaam is misschien niet voldoende om het gas te detecteren," zei professor Huanyu "Larry" Cheng. "Het zou veel meer voordeel kunnen zijn om de gasniveaus te monitoren vanaf het hartooppervlak, of van interne organen. Deze gassensor is inplantbaar, en biologisch afbreekbaar, ook, wat een ander onderzoeksrichting is waar we aan gewerkt hebben. Als de patiënt volledig herstelt van een chirurgische operatie, hebben ze het apparaat niet meer nodig, wat biologisch afbreekbare apparaten nuttig maakt."

Volgens de onderzoekers zijn alle componenten biologisch afbreekbaar in water of in lichamsvloeistoffen maar blijven 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, wat ook hoogst gevoelig is voor stikstofoxide. Silicium is uniek — het is de bouwsteen voor moderne elektronica, wordt beschouwd als super-stabiel, en is biologisch afbreekbaar. Het kan op een heel langzame manier oplossen, ongeveer één tot twee nanometer per dag, afhankelijk van de omgeving. Niet alleen kan het lichaam alle materialen die in het apparaat gebruikt worden veilig absorberen, maar ze lossen op een langzame genoeg pace op dat de sensoren in het lichaam kunnen functioneren tijdens de herstelperiode van de patiënt.

De sensor werd getest in vochtige omstandigheden en waterige oplossingen om aan te tonen dat het stabiel kon presteren in de harde omstandigheden van het lichaam. Het team gebruikte computationele bronnen van ICDS's Roar-supercomputer om de computersimulaties te creëren die extreem kleine veranderingen kunnen berekenen veroorzaakt door lichte veranderingen in vorm, of deformaties, van het materiaal. Ze baseerden hun meting op weerstand, die kan veranderen gebaseerd op gasabsorptie.

De onderzoekers zeggen dat toekomstig werk kan kijken naar het ontwerpen van geïntegreerde systemen die andere lichamelijke functies kunnen monitoren voor gezonde veroudering en diverse ziekte-toepassingen.