Датчики, контролирующие состояние пациента во время и после медицинских процедур, могут быть дорогостоящими. Теперь международная команда ученых разработала высокочувствительный гибкий газовый датчик, который может быть имплантирован в тело—и после того, как он больше не нужен, безопасно разлагается на материалы, кой поглощаются организмом. В ходе исследования ученые сообщили, что разработали гибкий и имплантируемый датчик, который может контролировать различные формы оксида азота (NO) и диоксида азота (NO2) в организме. Мониторинг этих типов газов важен, потому что они могут играть либо полезную, либо иногда вредную роль в здоровье человека.
Оксид азота, например, который вырабатывается естественным путем в организме человека, играет важную роль в здоровье, потому что он расслабляет или расширяет кровеносные сосуды для усиления кровотока, позволяя кислороду и питательным веществам циркулировать по организму. С другой стороны, воздействие диоксида азота из окружающей среды связано с прогрессированием таких состояний, как хроническая обструкционная болезнь легких. Оксид азота обладает высокой реакционной способностью и может превращаться в диоксид азота при воздействии кислорода.
В то время как современные устройства используются вне тела для контроля уровня газа, они громоздки и потенциально не так точны, как имплантируемое устройство. Имплантируемые устройства, однако, должны быть удалены, что может означать еще одну операцию. Ученые исследовали конструкцию, которая не нуждается в удалении.
Допустим, у вас есть кардиохирургическая операция, монитор снаружи тела может быть недостаточен для обнаружения газа. Было бы гораздо полезнее следить за уровнем газа с поверхности сердца или из этих внутренних органов. Этот газовый датчик имплантируется, а также поддается биологическому разложению, что является еще одним направлением исследований, над которым мы работаем. Если пациент полностью восстанавливается после хирургической операции, он больше не нуждается в устройстве, что делает био-деградируемые устройства полезными.
По словам исследователей, все компоненты биологически разлагаются в воде или в жидкостях организма, но остаются достаточно функциональными, чтобы улавливать информацию об уровнях газов. В этом случае ученые сделали проводники устройства-элементы, проводящие электричество, из магния, а в качестве функциональных материалов использовали кремний, который также очень чувствителен к оксиду азота.
Тело может безопасно поглотить все материалы, используемые в устройстве. Дополнительным преимуществом конструкции является то, что материалы растворяются достаточно медленно, что позволит датчикам функционировать в организме в течение периода восстановления пациента.
Кремний уникален—это строительный блок для современной электроники, и люди считают его сверх устойчивым. Кроме того, было доказано, что кремний поддается биологическому разложению. Он может растворяться очень медленно, примерно от одного до двух нанометров в день, в зависимости от окружающей среды.
По словам исследователей, датчик был протестирован во влажных условиях и водных растворах, чтобы показать, что он может стабильно работать в суровых условиях организма.
Команда использовала вычислительные ресурсы суперкомпьютера ICDS Roar для создания компьютерных симуляций, которые могут вычислять чрезвычайно малые изменения, вызванные незначительными изменениями формы или деформациями материала.
Мы основываем измерение на сопротивлении, которое может измениться в зависимости от поглощения газа, но оно также может быть изменено из-за деформации, говорят ученые. Таким образом, если мы деформируем датчик на поверхности кожи, это вызовет большую силу и большое изменение сопротивления, и мы не будем знать, является ли производительность газа от деформации или от воздействия окружающей среды.
Ученые говорят, что будущая работа может быть направлена на разработку интегрированных систем, которые могли бы контролировать другие функции организма для здорового старения и различных заболеваний.