Созданы датчики, похожие на татуировки, которые показывают уровень кислорода в крови
Люди делают татуировки в память о каком-то событии или человеке, чтобы заявить о себе или просто в качестве эстетического украшения. Но представьте себе татуировку, которая могла бы быть функциональной - говорить вам, сколько кислорода вы потребляете при физической нагрузке, измерять уровень глюкозы в крови в любое время суток, контролировать различные компоненты крови или воздействие токсинов окружающей среды.
Теперь инженеры из Университета Тафтса сделали важный шаг на пути к этому: они изобрели материал на основе шелка, помещаемый под кожу, который светится ярче или тусклее под лампой при воздействии различных уровней кислорода в крови. О своих результатах они сообщили в журнале Advanced Functional Materials.
Новый датчик, который в настоящее время ограничен считыванием уровня кислорода, состоит из геля, сформированного из белковых компонентов шелка, называемых фиброином. Белки фиброина шелка обладают уникальными свойствами, которые делают их особенно совместимыми в качестве имплантируемого материала.
Когда они собираются в гель или пленку, их можно регулировать, создавая структуру, которая сохраняется под кожей от нескольких недель до более года. Когда шелк разрушается, он совместим с организмом и вряд ли вызовет иммунную реакцию.
Вещества в крови, такие как глюкоза, лактат, электролиты и растворенный кислород, дают представление о здоровье и работоспособности организма. В медицинских учреждениях их отслеживают путем забора крови или подключения к громоздким аппаратам. Возможность постоянного неинвазивного мониторинга их уровня в любых условиях может стать огромным преимуществом при отслеживании определенных состояний.
Диабетикам, например, приходится брать кровь для определения уровня глюкозы, часто ежедневно, чтобы решить, что есть или когда принимать лекарства. В отличие от этого, команда Тафтса планирует сделать мониторинг намного проще, буквально освещая состояние человека.
"Шелк обладает удивительным сочетанием многих замечательных свойств", - говорит Дэвид Каплан, профессор инженерных наук семьи Стерн в Школе инженеров Университета Тафтса и ведущий исследователь исследования. "Мы можем формировать из него пленки, губки, гели и многое другое. Он не только биосовместим, но и может содержать добавки, не изменяя их химический состав, и эти добавки могут обладать сенсорными возможностями, обнаруживая молекулы в окружающей среде". Датчик кислорода является доказательством концепции для целого ряда датчиков, которые мы можем создать"
Химический состав белков шелка позволяет им легче захватывать и удерживать добавки без изменения их свойств. Для создания датчика кислорода исследователи использовали добавку под названием PdBMAP, которая светится под воздействием света определенной длины волны. Интенсивность и продолжительность этого свечения пропорциональны уровню кислорода в окружающей среде.
Шелковый гель проницаем для окружающих его жидкостей, поэтому PdBMAP воспринимает тот же уровень кислорода, что и окружающая кровь. PdBMAP также полезен тем, что он светится, или фосфоресцирует, под воздействием света, который может проникать через кожу. Другие кандидаты в сенсоры могут реагировать только на длину волны света, которая не может проникнуть через кожу.
Исследователи больше полагаются на длительность компонента фосфоресценции для количественной оценки уровня кислорода, поскольку интенсивность свечения может меняться в зависимости от глубины и размера имплантата, цвета кожи и других факторов. Продолжительность свечения уменьшается по мере увеличения уровня кислорода.
В экспериментах имплантированный датчик определял уровень кислорода в животных моделях в режиме реального времени и точно отслеживал высокий, низкий и нормальный уровень кислорода. Важность возможности отслеживать уровень кислорода в организме пациентов стала широко известна после пандемии COVID-19, когда пациентов пришлось госпитализировать для лечения, когда уровень кислорода стал критически низким.
"Мы можем представить себе множество сценариев, в которых татуированный под кожей датчик может быть полезен", - сказал Том Фалькуччи, аспирант лаборатории Каплана, разработавший татуированный датчик. "Обычно это происходит в ситуациях, когда за человеком с хроническим заболеванием необходимо наблюдать в течение длительного периода времени вне традиционных клинических условий. Потенциально мы можем отслеживать несколько компонентов крови с помощью массива датчиков под кожей"
Датчики, напоминающие татуировки, являются последними в растущем портфеле потенциальных медицинских продуктов, полученных из белка шелка в лаборатории Каплана, от ортопедических имплантатов до строительных лесов для создания новых тканей в сердце и костях.
