Revolutionaire slimme sensor verbetert wondmonitoring met precieze temperatuur- en rek tracking

Penn State College of Engineering, University Park, PA

De flexibele sensor, ideaal voor gebruik in het menselijk lichaam, gebruikt laser-geïnduceerde grafeen om temperatuur en rek tegelijkertijd maar apart te metenen, wat potentiél betere wondhelingmonitoring mogelijk maakt door helderere inzichten in inflammatie en herstel. (Afbeelding: Jennifer M. McCann)

Uitdaging: signalen scheiden bij gelijktijdige meting

Een grote uitdaging in zelfvoorzienende draagbare sensoren voor gezondheidsmonitoring is het onderscheiden van verschillende signalen wanneer ze tegelijkertijd optreden. Onderzoekers van Penn State en China's Hebei University of Technology losten dit op door een nieuwe eigenschap van een sensormateriaal te ontdekken, wat het team in staat stelde een nieuw type flexibele sensor te ontwikkelen die zowel temperatuur als fysieke rek nauwkeurig tegelijkertijd maar apart kan metenen om verschillende signalen preciezer te lokaliseren.

"Dit unieke sensormateriaal dat we ontwikkeld hebben heeft potentiële belangrijke toepassingen in gezondheidsmonitoring," aldus Huanyu "Larry" Cheng, James L. Henderson, Jr. Memorial Associate Professor of Engineering Science and Mechanics (ESM) aan Penn State en mede-corresponderende auteur van de studie gepubliceerd in Nature Communications. "Door zowel temperatuurveranderingen als fysieke vervorming, of rek, gecreëerd door een helende wond nauwkeurig te meten en die te scheiden in twee signalen, kan het de tracking van wondheling revolutioneren. Dokters kunnen een veel helderder beeld krijgen van het helingsproces, problemen zoals inflammatie vroegtijdig identificeren."

Laser-geïnduceerde grafeen (LIG) met thermoelektrische eigenschappen

De onderzoekers streeften ernaar temperatuur- en reksignalen nauwkeurig te meten zonder crosstalk door gebruik te maken van laser-geïnduceerde grafeen (LIG), een tweedimensionaal (2D) materiaal. Net als alle 2D-materialen inclusief reguliere grafeen, is laser-geïnduceerde grafeen één tot een paar atomen dik met unieke eigenschappen, maar met een twist. Laser-geïnduceerde grafeen ontstaat wanneer een laser bepaalde koolstofrijke materialen — zoals plastic of hout — op een manier verhittet die hun oppervlak omzet in een grafeenstructuur. De laser "schrijft" de grafeen essentieel direct op het materiaal, wat een eenvoudige en schaalbare manier is om grafeenpatronen te produceren voor elektronica, sensoren en energietoepassingen.

LIG is eerder gebruikt in diverse toepassingen. Vroeger gebruikten Cheng en zijn team het voor gassensoren, electrochemische detectoren voor zweetanalyse, supercondensatoren, en meer. Echter, de onderzoekers geloven dat ze een nieuwe eigenschap van LIG ontdekt hebben die het ideaal maakt als multi-purpose en nauwkeurige sensor.

"In onze studie stootten we soort van op het feit dat dit materiaal ook thermoelektrische eigenschappen heeft," aldus Cheng. "We geloven dat dit de eerste keer is dat iemand laser-geïnduceerde grafeen met thermoelektrische capaciteiten rapporteert. En dat is echt belangrijk voor wat we proberen te doen hier, namelijk om zowel temperatuurveranderingen als fysieke rek of vervorming apart te metenen."

Thermoelektrische eigenschappen in een materiaal verwijzen naar het vermogen om temperatuurverschillen om te zetten in elektrische spanning en vice versa, wat dergelijke materialen in staat stelt te worden gebruikt voor toepassingen zoals energie-oogst en temperatuursensing. Volgens Cheng maakt deze nieuw geïdentificeerde thermoelektrische eigenschap van LIG het gemakkelijk om de twee sensormetingen te scheiden, wat het ideaal maakt voor gezondheidszorgtoepassingen zoals een sensor in een verband verwerkt.

"Als je materialen hebt die gevoelig zijn voor zowel temperatuur als rek, kan het lastig zijn om te vertellen welk signaal veroorzaakt wordt door veranderingen in het materiaal," aldus Cheng. "Maar door dit thermoelektrische effect in de laser-geïnduceerde grafeen te gebruiken, kunnen we die twee metingen essentieel ontkoppelen. We kunnen kijken naar de elektrische weerstand voor informatie over de rek, terwijl we ook de thermische spanning meten om de temperatuur te bepalen. Dit is waarom dokters het kunnen gebruiken om zowel temperatuurschommelingen als fysieke veranderingen in de wondlocatie te volgen en een veel helderder beeld te krijgen van hoe de heling voortschrijdt."

Hij merkte ook op dat de sensor hooggevoelig is, temperatuurveranderingen van maar 0,5 graden Celsius detecterend. Het materiaalontwerp benut de manier waarop porieuze grafeen en thermoelektrische componenten samenwerken, wat het bijna vier keer beter maakt in het omzetten van warmte in elektriciteit. De sensor kan ook tot 45 procent rekken, evenals zich aanpassen aan verschillende vormen en oppervlakken, zonder functionaliteit te verliezen.

"De porieuze structuur van dit materiaal creëert veel kleine ruimtes en kanalen die het in een zeer gevoelige manier laten interageren met de omgeving," aldus Cheng. "Dit maakt het goed geschikt voor interfaceren met menselijke zachte weefsels, in tegenstelling tot meer starre thermoelektrische materialen, zoals keramische."

Omdat het thermoelektrische aspect van LIG betekent dat het elektrisch vermogen kan genereren wanneer er een temperatuurverschil is, zijn LIG-sensoren zelfvoorzienend. Volgens Cheng kan dit met name nuttig zijn voor continue monitoring in klinische omstandigheden en voor andere toepassingen, zoals het helpen detecteren van branden in afgelegen locaties.

Naast het verbeteren van de sensor, ontwikkelt het team een draadloos systeem dat mensen in staat stelt de data van de sensor op afstand te monitoren. Dit maakt het mogelijk om belangrijke informatie, zoals temperatuur of rek, in realtime te volgen met smartphones of andere apparaten.

"Bijvoorbeeld, een dokter kan de toestand van een patiënt op afstand monitoren, of nooddienstmedewerkers kunnen waarschuwingen ontvangen over gevaarlijke temperatuurveranderingen," aldus Cheng. "Deze vooruitgang streeft ernaar de technologie meer toegankelijk en effectief te maken, helpen om gezondheidsmonitoring en veiligheid in alledaagse situaties te verbeteren."

Voor meer informatie, contacteer dit e-mailadres is beschermd tegen spambots. U heeft JavaScript ingeschakeld om het te kunnen zien..