Draagbare biosensoren spelen een steeds belangrijkere rol bij het monitoren van chronische aandoeningen en het ondersteunen van zorg op afstand. Toch lopen veel bestaande sensoren tegen dezelfde beperking aan: zodra de drager beweegt, transpireert of lichaamsbeharing de huidcontacten verstoort, neemt de kwaliteit van de metingen af. Onderzoekers van Drexel University en Penn State University hebben nu een nieuwe hydrogel ontwikkeld die deze problemen moet verminderen.
Het flexibele materiaal blijft stevig op de huid zitten, zelfs tijdens intensieve beweging, en kan daardoor biologische signalen stabieler registreren. De resultaten zijn gepubliceerd in Science Advances. Volgens de onderzoekers kan de technologie bijdragen aan betrouwbaardere wearables voor zowel medische toepassingen als revalidatie en thuismonitoring.
Uitdaging voor draagbare sensoren
Wearables zoals hartslag- en glucosesensoren hebben de afgelopen jaren de monitoring van patiënten ingrijpend veranderd. Voor een goede werking is echter langdurig en stabiel huidcontact noodzakelijk. In de praktijk blijkt dat een uitdaging. Zweten, lichaamsbeharing, huidvet en voortdurende beweging zorgen ervoor dat sensoren losraken of minder nauwkeurige signalen registreren. Dat leidt tot ruis in de meetgegevens en kan de betrouwbaarheid van continue monitoring verminderen. Zeker bij toepassingen waarbij patiënten zich vrij moeten kunnen bewegen, vormt dit een belangrijke beperking.
De onderzoekers richtten zich daarom niet op nieuwe sensoren of meetmethoden, maar op verbetering van het materiaal waarmee biosensoren contact maken met de huid. Het resultaat is een nieuwe hydrogel die volgens het onderzoek zachter, rekbaarder en beter hechtend is dan bestaande varianten.
Slimme gel past zich aan de huid aan
Een belangrijk kenmerk van de nieuwe hydrogel is dat het materiaal tijdens de productie flexibel kan worden gevormd. De onderzoekers ontwikkelden hiervoor een chemisch mechanisme waarbij de zuurgraad (pH) bepaalt wanneer de gel uithardt. Hierdoor kan de hydrogel vanuit een spuit of printer eenvoudig in vrijwel iedere gewenste vorm worden aangebracht. Zodra het materiaal op de huid terechtkomt, vormt het zich snel naar de contouren van het lichaamsdeel waarop het wordt aangebracht.
Die flexibiliteit maakt maatwerk mogelijk voor verschillende lichaamslocaties en toepassingen. Sensoren kunnen daardoor beter aansluiten op bijvoorbeeld de pols, borstkas of het gezicht, zonder dat de kwaliteit van het huidcontact verloren gaat. Volgens de onderzoekers vergroot deze aanpak vooral de betrouwbaarheid van bestaande biosensoren onder omstandigheden waarin traditionele elektroden moeite hebben om goed contact te behouden.
Grafeen en bio-lijm verbeteren prestaties
Om de hydrogel mechanisch sterker en elektrisch beter geleidend te maken, voegden de onderzoekers verschillende materialen toe. Grafeenvlokken vormen in de gel een poreus netwerk dat elektrische signalen efficiënt geleidt en tegelijkertijd zweet doorlaat. Daardoor hoopt vocht zich niet op tussen huid en sensor, wat voorkomt dat de sensor loslaat of de metingen verstoord raken. Daarnaast bevat de hydrogel polydopamine, een polymeer dat de kleefeiwitten nabootst waarmee organismen zich aan oppervlakken kunnen hechten. Deze zogenoemde bio-lijm zorgt ervoor dat de sensor ook op behaarde of vochtige huid stevig blijft zitten.
Uit de eerste laboratoriumtests blijkt dat de hydrogel ongeveer even zacht is als menselijk weefsel en tot tachtig keer zijn oorspronkelijke lengte kan worden uitgerekt. Bovendien kan het materiaal tientallen keren worden verwijderd en opnieuw worden aangebracht zonder merkbaar prestatieverlies.
Betrouwbare metingen
De onderzoekers testten de hydrogel in verschillende toepassingen. ECG-sensoren op borst en pols bleven stabiele hartsignalen registreren tijdens buigen en strekken van het lichaam. Ook elektro-oculografiesensoren, waarmee oogbewegingen en knipperen worden gemeten, bleven betrouwbaar functioneren tijdens herhaalde oogbewegingen.
Om de technologie onder meer realistische omstandigheden te evalueren ontwikkelde het team daarnaast een opstelling waarmee meerdere fysiologische signalen gelijktijdig konden worden geregistreerd. Sensoren op ooglid, handpalm en pols maten onder meer hartslag, transpiratie en knipperfrequentie terwijl proefpersonen werden blootgesteld aan ontspannende muziek, storende geluiden en, in het geval van een vrijwilliger met spinnenfobie, video's van spinnen. Tijdens deze experimenten bleven de sensoren continu functioneren en registreerden zij veranderingen die passen bij een toenemende stress- of angstreactie. Volgens de onderzoekers laat dit zien dat één flexibel materiaal verschillende typen biosignalen tegelijkertijd kan registreren zonder dat meerdere soorten elektroden nodig zijn.
Hoewel de technologie zich nog in de proof-of-conceptfase bevindt, zien de onderzoekers brede toepassingsmogelijkheden. De hydrogel zou in de toekomst kunnen worden ingezet voor langdurige thuismonitoring, revalidatie, sportmonitoring en andere vormen van continue gezondheidsbewaking waarbij comfort, herbruikbaarheid en betrouwbare meetgegevens essentieel zijn. Verdere ontwikkeling is nodig voordat de technologie klinisch of commercieel beschikbaar komt, maar de onderzoekers beschouwen de nieuwe hydrogel als een veelbelovende stap richting een nieuwe generatie draagbare bio-elektronica.
Slimme flexibele huidsensor
Vorig jaar ontwikkelde een ondezoeksteam een batterijloze, flexibele huidsensor die de huidtemperatuur continu en in realtime kan monitoren om ontstekingen en infecties vroegtijdig op te sporen. De sensor, ontwikkeld onder leiding van de Spaanse Universitat Rovira i Virgili (URV), maakt gebruik van een thermo-elektrisch systeem dat temperatuurverschillen omzet in elektrische signalen, waardoor geen externe voeding nodig is. Het apparaat kan temperatuurveranderingen van slechts 0,4 °C detecteren en reageert binnen drie seconden, waardoor een thermische kaart van de huid ontstaat die probleemgebieden zichtbaar maakt.
Tests op menselijke huid, ook onder gesimuleerde transpiratie, bevestigden de werking. De onderzoekers verwachten dat de technologie kan worden ingezet voor het monitoren van chirurgische wonden, doorligwonden en andere ontstekingsprocessen. In vervolgonderzoek willen zij de sensor uitbreiden met biosensoren die aanvullende fysiologische parameters en biomarkers kunnen meten, zodat de technologie breder inzetbaar wordt in de klinische praktijk.
