Микрофлюидный «микрочип-пластырь» проследит за физиологией спортсменов

Международная группа ученых разработала мягкую накожную систему для сбора и анализа пота. Результаты работы опубликованы в журнале Science Translational Medicine.

Пот представляет собой важную биологическую жидкость, которая может дать существенную информацию о физиологических процессах в организме. В отличие от крови пот можно собирать неинвазивно, что делает его привлекательным биоматериалом для анализов. Тем не менее, существующие методы подразумевают сбор пота абсорбирующим материалом с последующим изучением с помощью электрохимических, хроматографических и масс-спектрометрических методов в специально подготовленных лабораториях, из-за чего подобные анализы проводятся редко.

микрочип-пластырь

Сотрудники Иллинойского университета в Урбане-Шампейне с коллегами из других научных центров США, Южной Кореи, Франции и Китая разработали гибкую носимую аналитическую систему для пота в виде накожной аппликации. Устройство диаметром три сантиметра и толщиной около 700 микрометров состоит из нескольких слоев.

микрочип-пластырь
Устройство, внешний вид и механические свойства системы

С кожей соприкасается биосовместимый акриловый липкий слой с высокой степенью адгезии (около пяти ньютонов, что примерно в пять раз превышает характеристики медицинского пластыря), который обеспечивает плотное прилегание даже к покрытой густыми пушковыми волосами и сильно вспотевшей коже. В нем есть пять отверстий диаметром три миллиметра для раздельного сбора пота.

Собранный пот поступает в микрофлюидное устройство из полидиметилсилоксана, состоящее из пяти раздельных емкостей, соединенных микроканалами с собственными собирающими отверстиями. Ближе к центру расположены четыре круглых четырехмиллиметровых резервуара для анализа кислотности, ионов хлора, лактата и глюкозы (эти показатели были выбраны, поскольку дают общую картину состояния организма). Резервуары окружены серпантинным каналом для оценки объема и скорости потоотделения. Излишки пота выводятся по микроканалам, открывающимся сбоку устройства.

В наружный слой вмонтирована кольцевая медная антенна с чипом для ближней бесконтактной связи, передающая информацию на считывающие устройства, например, на смартфон.

микрочип-пластырь
Ближний бесконтактный интерфейс и интерпретация показателей

Все качественные и количественные анализы в микрофлюидном устройстве выполняются путем ферментативных или хромогенных химических реакций на целлюлозной матрице и оцениваются колориметрически (по изменению окраски реагента и ее интенсивности). Для калибровки автоматического определения считываемых параметров на внешнюю сторону системы нанесены один белый и четыре черных референсных маркера. Чувствительность устройства составляет 0,5 единиц для рН и 0,2, 0,3 и 0,1 миллимоль на литр для хлорида, лактата и глюкозы соответственно.

Механические характеристики устройства, такие как растяжимость и гибкость, соответствуют параметрам кожи, что обеспечивает его плотное прилегание и отсутствие дискомфорта при ношении.

Устройство может вмещать до 50 микролитров пота, что обеспечивает его работу в течение от одного до шести часов в зависимости от участка кожи и уровня потоотделения (у человека он находится в диапазоне от 12 до 120 микролитров в час на квадратный сантиметр кожи). Образцы пота из резервуаров можно использовать для последующего лабораторного анализа.

В ходе экспериментов прибор успешно определил биохимические показатели, скорость и объем потоотделения на симуляторе с заданными параметрами, а также у людей при занятии на велотренажере в помещении с искусственным климатом и при поездке на велосипеде на открытом воздухе.

Как пишут исследователи, разработанную систему можно использовать для регистрации физиологических данных при различных заболеваниях и занятиях спортом, чтобы своевременно проводить коррекцию их отклонений. Они также отмечают, что при необходимости ее можно модифицировать для регистрации других биохимических показателей, используя соответствующие реагенты.

В силу удобства применения накожные устройства все чаще вызывают интерес разработчиков. К настоящему времени созданы аппликации для выслушивания внутренних органов и голосового управления различными устройствами, контроля уровня сахара при диабете, измерения скорости кровотока, регистрации движений и ультрафиолетового облучения кожи.

Автор: Олег Лищук

Ссылка на источник