В Южной Корее представили пластырь для ЭКГ, который прилипает к коже без геля или клея

Корреспондент Гу Бон Хёк

- Команда во главе с профессором Чон Хун Ы из Ульсанского национального института науки и технологий (UNIST) разработала липкий пластырь для ЭКГ
- Он регистрирует в два раза более четкие сигналы ЭКГ даже во время интенсивных физических нагрузок

Обложка международного научного журнала «Advanced Science», посвященного данному исследованию [Предоставлено UNIST]

При наклеивании пластыря для ЭКГ внезапно возникает ощущение холода. Это связано с гелем, который наносится для четкой регистрации сигналов. Химический клей, окружающий края пластыря, иногда может вызывать кожные высыпания или оставлять следы. Теперь разработан пластырь, который прочно прилипает к коже без использования геля или клея для измерения сигналов ЭКГ.

9 февраля команда во главе с профессором Чон Хун Ы из факультета машиностроения UNIST (Ульсанского национального института науки и технологий) объявила о разработке высокоэффективного пластыря для ЭКГ, который вместо геля или клея использует жидкий металл и микроструктуру силиконовой резины.

Разработанный пластырь имеет трубку с жидким металлом шириной 20 микрометров (μm, где 1 μm равен одной миллионной метра), свернутую в виде улитки. Нижняя часть трубки, которая непосредственно соприкасается с кожей, имеет перфорированную структуру. Это позволяет передавать сигнал сердцебиения непосредственно на электрод из жидкого металла. В результате он эффективно улавливает сигнал сердцебиения без использования геля.

Однако перфорированная поверхность, соприкасающаяся с кожей, может привести к утечке жидкого металла под давлением. Исследовательская группа решила эту проблему, добавив в нижней части трубки горизонтальный выступ, изогнутый вовнутрь. Кроме того, трубка настолько тонкая, что не ощущается холод - несмотря на то, что она сделана из металла.

Микроскопические выступы диаметром 28 мкм и высотой 20 мкм покрывают весь пластырь и действуют как клей. Выступы, которые прикрепляются к коже, выступают как поля шляпы, обеспечивая превосходную адгезию по сравнению с обычными микровыступами. Принцип заключается в том, что структура выступов, похожая на шапку, плавно прилегает к микроконтурам кожи, увеличивая площадь контакта и тем самым улучшая физическую адгезию.

Новоразработанный пластырь продемонстрировал сопротивление электрода, более чем в пять раз ниже, чем у коммерческих аналогов. Это означает, что он может улавливать даже слабые сигналы и точно определять сигналы сердцебиения даже во время интенсивных движений.

Кроме того, его адгезионная прочность легко выдерживает вес 100 г, что снижает шумы, вызванные неправильным прикреплением пластыря. Он сохранял примерно в два раза большую точность сигнала по сравнению с коммерческими пластырями для ЭКГ во время интенсивных движений, таких как ходьба или бег.

В отличие от одноразовых пластырей, используемых в больницах, этот пластырь можно использовать более 500 раз. Также он отличается исключительной прочностью, и его адгезия обусловлена микроструктурой, а не одноразовым клеем. В отличие от существующих пластырей, у которых точность сигнала ухудшается при высыхании геля, он позволяет проводить длительные и точные измерения ЭКГ даже без геля.

Рис 1. Конструкция и основные преимущества патча S-LMC. a) Схема архитектуры патча S-LMC, объединяющего микрожидкостный канал с открытым дном и адгезивный интерфейс на основе микростолбиков, с сравнением характеристик с коммерческим гелевым электродом. b) Функциональные особенности пластыря S-LMC: (i) вертикальная передача сигнала через центрально расположенное сквозное отверстие; (ii) конформный контакт и низкоимпедансное соединение, обеспечиваемое смачиванием жидким металлом; (iii) прочная, обратимая адгезия за счет ван-дер-ваальсовых взаимодействий на кончиках микростолбиков. c) Сравнительный анализ прочности адгезии к коже и электрического импеданса по сравнению с традиционными сухими, гидрогелевыми и жидкометаллическими электродами.

Рис 2. Изготовление и структурная характеристика патча S-LMC. a) (i-v) Схема процесса изготовления и (vi) фотография изготовленного патча S-LMC. b) (i) Изображение микроканала и окружающего его массива микростолбиков, полученное с помощью растрового электронного микроскопа (SEM); (ii) увеличенный вид, демонстрирующий удержание жидкого металла внутри канала; (iii) SEM геометрии микрокончика на вершине столбика; (iv, v) элементные карты Si и Ga, подтверждающие избирательную локализацию Galinstan внутри канала; (vi) EDS-спектр, указывающий на присутствие Ga, In и Sn из наполнителя Galinstan.

Рис 3. Адгезионные свойства и кожная совместимость пластыря S-LMC. a) (i) Схематическое сравнение структур C, CP и CPT; (ii) Схематическое изображение архитектуры CPT с указанием размеров наконечника и расположения каналов. b) 3D-профиль поверхности и среднеквадратичная шероховатость кожи свиньи. c) Прочность на отрыв пластырей S-LMC с различной геометрией (ширина и шаг каналов): n = 7 в каждой группе. d) Кривые прочности на отрыв, сравнивающие сопротивление отрыву пластырей C, CP и CPT. e) (i) Поперечное сечение SEM контакта с кожей; (ii) FEA распределения напряжений под CP и CPT. f) Демонстрация самоадгезии с использованием подвешенной нагрузки 100 г. g) (i) Прочность на отрыв в течение 7 дней, n = 7 независимых образцов; (ii) Раздражение кожи после 5 часов прикрепления. h) Повторяемость адгезии в течение 500 циклов прикрепления-отрыва.

Рис 4. Эффективность подавления утечек патча S-LMC. a) Концептуальные схемы, определяющие: (i) ключевые геометрические параметры микроканалов: (ii, iii) со структурой CP; (iv, v) со структурой CPT. b) Сравнение значений Pth между структурами CP и CPT в зависимости от эффективной ширины канала. c) Остатки на поверхности кожи свиней после приложения внешнего давления и отсоединения. d) Количественный анализ площади утечки, нормированной по размеру канала для каждой конфигурации. e) Сравнение экспериментально измеренных и теоретически предсказанных значений Pcritical для структур CP и CPT в зависимости от эффективной ширины канала, n = 7 независимых образцов.

Рис 5. Электрические характеристики и системная интеграция пластыря S-LMC. a) Оптическое изображение пластыря, прикрепленного к предплечью с соединенным через отверстие сенсорным проводом; схема, показывающая горизонтальные микроканалы и вертикальное отверстие для двунаправленной передачи сигнала. b) Сравнение контактного импеданса между S-LMC и коммерческими электродами Ag/AgCl в диапазоне 101–10⁴ Гц. c) Схема и изображение SEM, показывающие конформный контакт между Galinstan и кожей. d) Относительный контактный импеданс в течение 7 дней в условиях окружающей среды, n = 7 независимых образцов. e) Сохранение веса каждого пластыря, указывающее на устойчивость к дегидратации, n = 3 независимых образца. f) Стабильность импеданса в течение 20 циклов прикрепления-отсоединения, n = 7 независимых образцов. g) Фотография светодиодной схемы, управляемой пластырем S-LMC (слева); схема поперечных и вертикальных путей проводимости (справа); h) Пространственно контролируемые конфигурации микроэлектродов LM, обеспечиваемые структурным ограничением внутри микроканалов.

Рис 6. Эффективность мониторинга ЭКГ с помощью пластыря S-LMC. a) Типичные сигналы ЭКГ, зарегистрированные с помощью пластыря S-LMC (красный) и коммерческого электрода Ag/AgCl (синий) в статических условиях. b) Сравнение качества сигнала после 7 дней непрерывного использования. c) Соотношение амплитуд пиков T/R в статических условиях. d) Соотношение сигнал/шум (SNR) при растяжении, сгибании и скручивании. e) Изменение SNR в течение 7 дней воздействия окружающей среды. f) Сигналы ЭКГ и соответствующие значения SNR, зарегистрированные в состоянии покоя, при ходьбе и беге. Каждый график представляет n = 12 независимых выборок.

Профессор Чон Хун Ы (слева) из UNIST, исследователи Ли Сан У, Сон Хён Сок и Ким Чжин Со [Предоставлено UNIST]

«Мы одновременно решили проблему утечки жидкого металла и проблему прилипания к коже с помощью сложной конструкции» - сказал профессор Чон Хун Ы, добавив: «Мы ожидаем, что это станет основой для технологий носимых устройств следующего поколения, таких как технологии долгосрочного мониторинга здоровья для пациентов с чувствительной кожей и высокоточные интерфейсы взаимодействия человека и машины».

Исследовательская группа передала эту технологию компании Anvix Lab (веб-сайт: https://anvixlab.com/product3.html) для коммерциализации. Проект признан перспективным с коммерческой точки зрения и отобран для участия в инициативе TIPS (Technology Incubator Programme for Startups), поддерживаемой Министерством малого и среднего бизнеса и стартапов ЮК. Кроме того, удалось привлечь первоначальные инвестиции, что ускорило прогресс в реализации проекта.

Результаты исследования опубликованы в международном научном журнале «Advanced Science» 5 января.

nbgkoo@heraldcorp.com

#южнаякорея #корея #политика #экономика #промышленность #медицина #технология #экг #здоровье #кардиограмма #сердце #бизнес #финансы #общество #культура #искусство #азия