Wissenschaftler entwickeln 3D-gedruckte, epifluidische elektronische Haut.

28. September 2023

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Korrekturgelesen von Tejasri Gururaj, Phys.org

In einer kürzlich in Science Advances veröffentlichten Studie haben Forscher des California Institute of Technology unter der Leitung von Dr. Wei Gao eine maschinenlernbasierte 3D-gedruckte epifluidische elektronische Haut für multimodale Gesundheitsüberwachung entwickelt. Diese tragbare Plattform ermöglicht eine Echtzeitüberwachung des körperlichen und chemischen Gesundheitszustands.

Tragbare Gesundheitsgeräte haben das Potenzial, die medizinische Welt zu revolutionieren, indem sie Echtzeit-Tracking, personalisierte Behandlungen und eine Früherkennung von Krankheiten ermöglichen.

Eine der Hauptherausforderungen bei diesen Geräten besteht jedoch darin, dass sie Daten nicht auf molekularer Ebene verfolgen und ihre Herstellung anspruchsvoll ist. Dr. Gao erklärte, warum dies für ihr Team als Motivation diente.

"Heutzutage besteht zunehmendes Forschungsinteresse an personalisierter Gesundheitsversorgung, um traditionelle medizinische Praktiken zu revolutionieren. Um diese Herausforderungen zu bewältigen, verwenden wir unsere 3D-Drucktechnologie, um wesentliche Komponenten wie physikalische Sensoren, chemische Sensoren, Mikrofluidik und Supercaps für unsere tragbare Plattform zu erstellen", sagte Dr. Gao zu Phys.org.

Genau das haben Dr. Gao und sein Team durch die Massenproduktion einer tragbaren Plattform namens e3-Skin erreicht, die auf kundenspezifischen Materialien 3D-gedruckt wird.

e3-Skin: Eine 3D-gedruckte epifluidische elektronische Haut

Der Name e3-Skin leitet sich von "epifluidische elastische elektronische Haut" ab. Es handelt sich um ein 3D-gedrucktes tragbares System, das kontinuierlich verschiedene physiologische Parameter überwacht und Verhaltensreaktionen vorhersagt.

Dr. Gao erklärte die verschiedenen Komponenten der e3-Skin wie folgt: "Alle Hauptkomponenten der tragbaren Plattform, einschließlich physikalischer Sensoren, chemischer Sensoren, Mikrofluidik und Energiespeicher-Mikro-Supercaps, können durch Extrusions-3D-Druck verschiedener Funktionsmaterialien problemlos hergestellt werden."

Was die e3-Skin auszeichnet, sind die 3D-gedruckten biochemischen Sensoren und das Mikrofluidiksystem. Die Integration der 3D-Drucktechnologie ist ein entscheidender Aspekt der Erstellung der e3-Skin.

3D-Druck bietet Präzision und Anpassungsfähigkeit, was es Forschern ermöglicht, wesentliche Komponenten präzise zu entwerfen und herzustellen. Dies ermöglichte eine effiziente Produktion und die Integration komplexer Strukturen und Materialien, einschließlich der 3D-gedruckten biochemischen Sensoren und Mikrofluidik.

Dr. Gao erläuterte weiter: "Tragbare biochemische Sensoren können wichtige Gesundheitsinformationen auf molekularer Ebene liefern. In Kombination mit biophysikalischen Sensoren können sie umfassendere Informationen über unseren Gesundheitszustand liefern."

Darüber hinaus hat ihnen der Einsatz von Mikrofluidik, der Wissenschaft der Manipulation und Kontrolle winziger Flüssigkeitsmengen in kleinen Kanälen oder Geräten, geholfen, die Biomarker im menschlichen Schweiß zu analysieren. Mikrofluidik kann Schweiß automatisch durch Iontophorese induzieren, ihn ohne Anstrengung sammeln, Schweißverdunstung minimieren und Echtzeit-Biochemieanalysen mit frischen Schweißproben ermöglichen.

Die Fähigkeiten der e3-Skin gehen über ihre Hardware-Komponenten hinaus. Sie integriert ML-Algorithmen, die eine entscheidende Rolle in ihrer Funktionalität spielen. Bevor wir uns jedoch mit ML beschäftigen, ist es wichtig, das bemerkenswerte Material zu verstehen, das die e3-Skin möglich macht: MXene.

MXene, eine Familie von 2D-Materialien, ist ein vielseitiges Material, das für seine einzigartigen Eigenschaften bekannt ist. Aqueous Ti3C2Tx (MXene) diente als Tinte zum 3D-Druck der Verbindungen und biophysikalischen Sensoren in der e3-Skin.

Das Team nutzte das MXene, um eine Begrenzung bei aktuellen tragbaren Systemen zu überwinden. In den Worten von Dr. Gao: "Die meisten aktuellen tragbaren Systeme setzen auf Batterien, die starr, sperrig und unzureichend sind und häufig ausgetauscht werden müssen."

Um diese Einschränkung zu überwinden, integriert die e3-Skin eine Solarzelle, die Energie aus Umgebungslicht erntet und effizient in 3D-gedruckten MXene-basierten Mikrosupercaps speichert. Diese Innovation ermöglicht eine batterielose, nachhaltige Nutzung für die Langzeit-Gesundheitsüberwachung während der täglichen Aktivitäten.

MXene-Nanosheets besitzen Eigenschaften wie negativ geladene Oberflächen und Hydrophilie, was es ihnen ermöglicht, sich in Wasser zu dispergieren und stabil zu bleiben. Dies ermöglicht präzisen Druck, wobei MXene-Filamente eine einstellbare Linienbreite haben und auf flexible Substrate wie menschliche Haut haften können.

Dr. Gao further emphasized, 'The printed MXene filaments can form uniform arrays with intricate patterns, enabling the creation of complex structures within the e3-skin.'

MXene's versatility extends to temperature sensing, with sensors exhibiting a negative temperature coefficient and wear stability.

For pulse monitoring, MXene, in combination with carbon nanotubes, forms sensors with customizable foam designs, ensuring high sensitivity and durability. Notably, this enables reliable radial pulse monitoring on human subjects.

Furthermore, the e3-skin's capabilities extend to predicting behavioral responses to alcohol consumption, which they demonstrated. Dr. Gao stated, 'In our case, we used the e3-skin to collect both sweat alcohol and vital signs (such as heart rate and skin temperature) information, providing more comprehensive insight into behavioral responses.'

ML analyzes this data to predict an individual's response time and degree of impairment. Sweat alcohol plays a pivotal role in predicting response time, while heart rate complements sweat alcohol for more accurate impairment prediction.

e3-skin shows great promise, harvesting the best of ML, materials, and medicine. 'e3-skin provides exciting opportunities to advance wearable biosensors toward practical applications in modern health care,' highlighted Dr. Gao.

With its continuous monitoring of vital biomarkers and extensive data collection, it has the potential to predict cognitive and behavioral impairments and monitor various health aspects.

The data collected by the e3-skin could enhance personalized health care by allowing early warning, early diagnosis, and timely intervention to maximize health outcomes.

Dr. Gao concluded by stating, 'The large sets of data collected by such multimodal wearable devices in daily activities coupled with modern ML algorithms can extract the underlying relationship of the biomarker level with complex health conditions.

'Thereby, it promises to reshape the field of wearable health monitoring and empower data-driven personalized health care.'

Journal information: Science Advances

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