Revolutionaire slimme sensor verbetert wondbewaking met nauwkeurige temperatuur- en spanningsregistratie

Penn State College of Engineering, University Park, PA

De flexibele sensor, ideaal voor gebruik in het menselijk lichaam, maakt gebruik van lasergeïnduceerd grafeen om tegelijkertijd maar afzonderlijk de temperatuur en spanning te meten, waardoor mogelijk een betere monitoring van de wondgenezing mogelijk wordt door duidelijker inzicht te geven in ontstekingen en herstel. (Afbeelding:Jennifer M. McCann)

Een grote uitdaging bij zelfaangedreven draagbare sensoren voor gezondheidszorgmonitoring is het onderscheiden van verschillende signalen wanneer ze tegelijkertijd optreden. Onderzoekers van Penn State en de Chinese Hebei University of Technology hebben dit probleem aangepakt door een nieuwe eigenschap van een sensormateriaal bloot te leggen, waardoor het team een nieuw type flexibele sensor kon ontwikkelen die zowel temperatuur als fysieke belasting tegelijkertijd, maar afzonderlijk, nauwkeurig kan meten om verschillende signalen nauwkeuriger te lokaliseren.

“Dit unieke sensormateriaal dat we hebben ontwikkeld heeft potentieel belangrijke toepassingen in de monitoring van de gezondheidszorg”, zegt Huanyu “Larry” Cheng, James L. Henderson, Jr. Memorial Associate Professor of Engineering Science and Mechanics (ESM) aan Penn State en co-corresponderend auteur van de studie gepubliceerd in Nature Communications. "Door zowel temperatuurveranderingen als fysieke vervorming, of spanning, veroorzaakt door een genezende wond nauwkeurig te meten en dat te meten door de twee signalen te scheiden, zou dit een revolutie teweeg kunnen brengen in het volgen van wondgenezing. Artsen zouden een veel duidelijker beeld kunnen krijgen van het genezingsproces, door problemen zoals ontstekingen in een vroeg stadium te identificeren."

De onderzoekers probeerden de temperatuur- en spanningssignalen nauwkeurig te meten zonder overspraak door gebruik te maken van lasergeïnduceerd grafeen (LIG), een tweedimensionaal (2D) materiaal. Zoals alle 2D-materialen, inclusief gewoon grafeen, is lasergeïnduceerd grafeen één tot enkele atomen dik met unieke eigenschappen, maar met een twist. Lasergeïnduceerd grafeen ontstaat wanneer een laser bepaalde koolstofrijke materialen (zoals plastic of hout) verwarmt op een manier die hun oppervlak omzet in een grafeenstructuur. De laser ‘schrijft’ het grafeen feitelijk rechtstreeks op het materiaal, waardoor het een eenvoudige en schaalbare manier wordt om grafeenpatronen te produceren voor elektronica, sensoren en energieapparaten.

LIG is al eerder in verschillende toepassingen gebruikt. Eerder gebruikten Cheng en zijn team het voor gassensoren, elektrochemische detectoren voor zweetanalyse, supercondensatoren en meer. De onderzoekers denken echter dat ze een nieuwe eigenschap van LIG hebben ontdekt, waardoor deze ideaal is als multifunctionele en nauwkeurige sensor.

“In ons onderzoek kwamen we min of meer op het feit dat dit materiaal ook thermo-elektrische eigenschappen heeft”, zegt Cheng. "Wij geloven dat dit de eerste keer is dat iemand heeft gemeld dat door laser geïnduceerd grafeen thermo-elektrische eigenschappen heeft. En dat is erg belangrijk voor wat we hier proberen te doen, namelijk het afzonderlijk meten van zowel temperatuurveranderingen als fysieke belasting of vervorming."

Thermo-elektrische eigenschappen van een materiaal verwijzen naar het vermogen om temperatuurverschillen om te zetten in elektrische spanning en omgekeerd, waardoor dergelijke materialen kunnen worden gebruikt voor toepassingen zoals het oogsten van energie en temperatuurmeting. Volgens Cheng maakt deze nieuw geïdentificeerde thermo-elektrische eigenschap van LIG het gemakkelijk om de twee sensormetingen te scheiden, waardoor het ideaal is voor toepassingen in de gezondheidszorg, zoals een sensor ingebed in een verband.

“Als je materialen hebt die gevoelig zijn voor zowel temperatuur als spanning, kan het lastig zijn om te bepalen welk signaal wordt veroorzaakt door veranderingen in het materiaal”, zegt Cheng. "Maar door dit thermo-elektrische effect in het lasergeïnduceerde grafeen te gebruiken, kunnen we deze twee metingen feitelijk ontkoppelen. We kunnen naar de elektrische weerstand kijken om informatie over de spanning te krijgen, terwijl we ook de thermische spanning meten om de temperatuur te bepalen. Dit is de reden waarom artsen het zouden kunnen gebruiken om zowel temperatuurschommelingen als fysieke veranderingen op de wondlocatie te volgen en een veel duidelijker beeld te krijgen van hoe de genezing vordert."

Hij merkte ook op dat de sensor zeer gevoelig is en temperatuurveranderingen van slechts 0,5 graden Celsius detecteert. Het ontwerp van het materiaal maakt gebruik van de manier waarop poreuze grafeen- en thermo-elektrische componenten samenwerken, waardoor het bijna vier keer beter is in het omzetten van warmte in elektriciteit. De sensor kan ook tot 45 procent uitrekken en zich aanpassen aan verschillende vormen en oppervlakken, zonder functieverlies.

"De poreuze structuur van dit materiaal creëert veel kleine ruimtes en kanalen waardoor het op een zeer gevoelige manier met zijn omgeving kan communiceren", aldus Cheng. “Dit maakt het zeer geschikt voor interactie met menselijke zachte weefsels, in tegenstelling tot stijvere thermo-elektrische materialen, zoals op keramiek gebaseerde materialen.”

Omdat het thermo-elektrische aspect van LIG betekent dat het elektrische stroom kan genereren als er een temperatuurverschil is, zijn LIG-sensoren zelfvoorzienend. Volgens Cheng zou dit vooral nuttig kunnen zijn voor continue monitoring in klinische omgevingen en voor andere toepassingen, zoals het helpen detecteren van branden op afgelegen locaties.

Naast het verfijnen van de sensor, ontwikkelt het team een draadloos systeem waarmee mensen de gegevens van de sensor op afstand kunnen monitoren. Dit maakt het mogelijk om belangrijke informatie, zoals temperatuur of belasting, in realtime bij te houden met behulp van smartphones of andere apparaten.

“Een arts kan bijvoorbeeld de toestand van een patiënt op afstand monitoren, of hulpverleners kunnen waarschuwingen ontvangen over gevaarlijke temperatuurveranderingen”, aldus Cheng. “Deze verbeteringen zijn bedoeld om de technologie toegankelijker en effectiever te maken, waardoor de gezondheidsmonitoring en de veiligheid in alledaagse situaties worden verbeterd.”

Neem voor meer informatie contact op met Dit e-mailadres wordt beschermd tegen spambots. U heeft Javascript nodig om het te kunnen zien..