Сенсорная технология была разработана в лаборатории Вэй Гао, доцента медицинской инженерии, исследователя Heritage Medical Research Institute и ученого Рональда и Джоанны Уилленс. В течение многих лет исследования Gao были сосредоточены на носимых датчиках для медицинского применения, и эта последняя работа представляет собой самую точную и чувствительную итерацию.
«Мы уже делали носимые датчики пота раньше, — говорит он. — Было так много биомаркеров, которые мы хотели обнаружить, но в прошлом мы не могли. Хорошего способа не было».
Гао говорит, что предыдущие версии его датчиков пота основывались на встроенных в них ферментах для обнаружения ограниченного числа соответствующих соединений. Хотя антитела можно было бы использовать в датчиках для обнаружения большего количества соединений при низких концентрациях, у этого метода был большой недостаток: антитела в датчике можно использовать только один раз, что означает, что датчики изнашиваются.
Новая сенсорная технология включает в себя то, что Гао называет полимерами с молекулярным отпечатком, которые похожи на искусственные многоразовые антитела. Чтобы представить, как они работают, представьте гипотетический объект в форме знака плюс. Если вы возьмете этот предмет и нальете на него силиконовую резину, дадите резине затвердеть, а затем вытащите молекулу из резины, у вас теперь есть кусок резины с углублением в форме плюса. Только предметы такого же размера и формы хорошо поместятся в углубление.
Полимеры с молекулярным отпечатком работают так же, но в гораздо меньших масштабах. Если вы хотите создать датчик, который может обнаруживать, например, аминокислоту глютамин, вы готовите полимер с молекулами глютамина внутри. Затем с помощью химического процесса удалите глютамин, и вы получите полимер с отверстиями в нем, которые в точности повторяют форму глютамина.
Инновация Gao заключается в сочетании этого специально сформированного полимера с материалом, который может окисляться или восстанавливаться под действием приложенного электрического напряжения при контакте с человеческим потом. Пока эти отверстия в форме глутамина открыты, пот вступает в контакт с внутренним слоем датчика и генерируется электрический сигнал. Но когда молекулы глютамина вступают в контакт с полимером, они проскальзывают в те отверстия, которые были для них сделаны.
По мере того, как эти отверстия закупориваются молекулами глютамина, меньше пота может контактировать с внутренним слоем, и электрический сигнал становится слабее. Отслеживая этот электрический сигнал, исследователи могут определить, сколько глютамина присутствует в поту. Чем больше глютамина, тем слабее сигнал. Меньшее количество глютамина приводит к более сильному сигналу.
«Эта уникальная стратегия позволяет нам обнаруживать все девять незаменимых аминокислот и множество витаминов», — говорит Гао.
Вторым нововведением в исследованиях Gao является использование микрофлюидики, технологии, которая использует крошечные каналы шириной менее четверти миллиметра для обработки небольших количеств жидкости. Микрофлюидика позволяет датчику работать даже при наличии незначительного количества пота.
По словам Гао, человеческую кожу можно искусственно стимулировать для выделения молекул лекарств, доставляемых электрическим током, но предыдущие датчики требовали больше пота и, следовательно, большего тока, что может быть неудобно для пользователя. Благодаря микрофлюидике и использованию другого типа лекарств датчику теперь требуется меньше пота, а ток, необходимый для выделения пота, может быть очень небольшим.
«Эта микрофлюидная конструкция позволяет нам использовать очень малые токи. Мы можем стимулировать выделение пота в течение четырех-пяти часов за несколько минут стимуляции с помощью десятков микроампер», — сообщает эксперт.
До сих пор было показано, что сенсорная технология работает на людях в лабораторных условиях. Гао надеется протестировать его в более масштабных испытаниях на людях.
Этот подход позволит ученым обнаруживать множество новых важных питательных веществ и метаболитов, например — во время еды, и наблюдать за изменением уровня питательных веществ. Он может обеспечить непрерывный мониторинг многих состояний здоровья «.
Статья, описывающая исследование, опубликована в журнале Nature Biomedical Engineering.