V teh dneh se veliko žuri okoli nosljive elektronike - Google se na primer širi v očala, medtem ko druga podjetja trdijo za svoj delež na trgu z visokotehnološkimi posnetki in urami, ki spremljajo, kaj jeste in kako se premikate .
Sorodne vsebine
- Irski kardiolog, katerega izum je rešil LBJ
- Elektronika, ki se lahko stopi v telesu, lahko spremeni svet medicine
Toda nobeden od njih ni na daleč podoben tistemu, kar razvija John Rogers, dobitnik nagrade za fizične vede Smithsonian American Ingenuity leta 2013. Njegova naprava je zasnovana tako, da ne bo ustrezala kot rokavicam, ampak bo morda tudi nekega dne rešila življenje uporabnika.
Znanstvenik materialov je skupaj s svojo ekipo študentov na univerzi Illinois v Urbani-Champaign uspešno preizkusil tisto, kar najbolje opisuje kot nogavico za srce. Napravo, nameščeno na celotni površini srca, je sestavljen iz vrste senzorjev, ki z neopazno natančnostjo spremljajo notranje delovanje tega najbolj vitalnega organa. Če zazna moteče nepravilnosti, lahko podatke posreduje zdravnikom; v nujnih primerih, na primer med srčnim infarktom, bi lahko celo posredoval z dajanjem impulza, ki ga povzroči elektroda.
Običajno srce črpa na tako učinkovit način, da težko opazimo, da deluje. Toda pri tistih, ki imajo srčni ritem, so srčne kontrakcije, ki niso sinhronizirane, lahko izčrpavajoče - pri tistih z aritmijo lahko povzročijo lahkotnost, šibkost, bruhanje in bolečine v prsih, v nekaterih primerih pa smrtonosne. Sčasoma lahko ritmične nepravilnosti povzročijo krvne strdke (ki včasih vodijo do kapi) in v skrajnih primerih srčni zastoj.
Običajno lahko zdravniki predpišejo zdravila za odpravljanje takšnih težav. Toda v nekaterih primerih se morajo bolniki obrniti na kirurške posege, kot so srčni spodbujevalniki ali implantati defibrilatorja. In čeprav te naprave delujejo dovolj, je mehanizem, ki ga uporabljajo za uravnavanje srčnega utripa, dejansko precej surov. Z implantati defibrilatorja je par elektrod nameščen znotraj srčne komore. Kadar koli odkrijemo življenjsko ogroženo aritmijo, defibrilator pošlje električni šok, ki srce zavira nazaj v normalen ritem. Rogers pravi, da je težava s tem pristopom ta, da dejavnost iz drugega področja srca lahko pomotoma sproži boleč tresenje, kadar resnično ni potrebe po tem.
Rogersova naprava obdaja srce v veliko bolj izpopolnjenem senzoričnem sistemu, ki lahko natančno določi, kje se pojavi ritmična nepravilnost. V nekem smislu deluje kot živčni končiči na sekundarni koži.
"Želeli smo izkoristiti vso moč tehnologij vezja, " pravi Rogers o napravi, ki je v izdelavi dve leti in pol. "Z veliko elektrod lahko naprava tempira in spodbudi bolj ciljno usmerjen način . Dovajanje toplote ali impulzov na določena mesta in to v merljivih odmerkih, ki so ravno dovolj zadostni, je pomembno, saj nanašanje več kot je potrebno, ni samo boleče, ampak lahko poškoduje srce. "
Ta korak za korakom prikazuje, kako je nastala srčna naprava. (Univerza Illinois in Univerza Washington) Poleg svoje potenciale kot nujni srčni vsadek elastičnost srčne nogavice omogoča tudi vrsto drugih elektronskih in neelektronskih senzorjev, ki lahko spremljajo raven kalcija, kalija in natrija - ki se štejejo za ključne kazalnike zdravja srca. Membrana se lahko programira tudi za spremljanje sprememb mehanskega tlaka, temperature in pH (kislost), kar lahko pomaga pri signaliziranju bližajočega se srčnega infarkta.
Za izdelavo prototipa ovitka so raziskovalci najprej skenirali in 3D natisnili plastični model zajčjega srca. Nato so čez plesen uredili mrežo 68 drobnih elektronskih senzorjev, ki so ga premazali s plastjo materiala iz silikonske gume, odobrenega s strani FDA. Po gumenem kompletu so Rogersovi laboratorijski pomočniki olupili po meri pripravljen polimer.
Za testiranje membrane so jo raziskovalci ovili okoli pravega zajčjega srca, privezanega na mehansko črpalko. Skupina je napravo napravila tako, da je nekoliko manjša od dejanskih organov, da ji je nežno postavila rokavice.
"Tu je zapletena stvar, " pravi Rogers, ", da je treba membrano dimenzionirati tako, da lahko ustvari ravno dovolj pritiska, da se elektrode zadržijo v zadostnem stiku s površino. Če se preveč močno pritisne, se bo srce odzvalo negativni način. "
"Treba se je prilegati ravno prav, " doda.
Kot je za The Scientist povedal Michael McAlpine, inženir strojništva na Univerzi Princeton, ki ni bil vključen v raziskavo : " Kar je novo in impresivno, je, da so v membrano, ki pokriva celotno površino srca, vgradili številne različne funkcionalnosti. . To širjenje senzorjev zagotavlja visoko stopnjo prostorske ločljivosti za spremljanje srca in ponuja več nadzora, ko gre za stimulacijo. "
Torej, kaj bo potrebno, da bo ta preboj potekal od laboratorija do bolnika? Rogers ocenjuje vsaj še eno desetletje razvoja, preden bi lahko bilo nekaj pripravljeno za medicinski trg. Medtem namerava nadaljevati sodelovanje z biomedicinskim inženirjem univerze v Washingtonu Igorjem Efimovim, da bi dokazilo o konceptu predelali v praktično, varno in zanesljivo tehnologijo.
Glavna ovira je ugotoviti, kako napajati membrano brez običajnih baterij. Trenutno Rogers in njegova ekipa raziskujejo nekaj alternativ, na primer ultrazvočno polnjenje, metodo, pri kateri se moč brezžično prenaša skozi kožo, pa tudi uporabljajo piezoelektrične materiale, ki zajemajo energijo iz okoliškega okolja. Za slednje je nekaj uspeha za uspeh. Pred dvema letoma so inženirji na univerzi v Michiganu uporabili takšne materiale, da bi razvili srčni spodbujevalnik, ki ga poganja izključno srčni utrip uporabnika.
"Ker poskušamo vgraditi veliko več senzorjev, pa tudi oddajati električne impulze in toploto, bo potrebno več energije kot količina, ustvarjena za običajne spodbujevalnike, " pravi Rogers. "V prihodnosti upamo, da bomo lahko izboljšali učinkovitost."
Drugi ključni element je napoved načina pošiljanja podatkov na zunanji pripomoček, da lahko pacienti in specialisti do njega dostopajo. Trenutno senzorji med drugimi vzorci beležijo stvari, kot so spremembe temperature in PH, vendar znanstveniki še niso našli načina, kako te podatke dostaviti brezžično.
"Bluetooth komunikacija je malo močna, zato gledamo na to, " pravi Efimov. »V bistvu bo naprava potrebovala več komponent in potrebovali bomo strokovnjake na drugih področjih, kot so elektronika, telemetrija in programska oprema. Torej bomo morali končno zbrati tvegani kapital in ustanoviti podjetje. "
Trenutno je poudarek, da rokavi delujejo kot praktična naprava; nič ne pove, koliko bo stala proizvodnja ali koliko bo stalo potrošnike, ko gre za trg.
Glavno vprašanje pa je, ali bo srčna nogavica delovala varno in učinkovito in vivo ali pri dejanskih živih osebah. Srčni spodbujevalniki običajno trajajo 10 let. Da bi bil praktičen, bi moral Rogersov izum tudi dokazati, da lahko deluje vsaj tako dolgo. Skupina se pripravlja na naslednji korak s pilotom, ki bo testiral membrano znotraj živega zajca, test, za katerega upajo, da ga bodo izvedli s sredstvi Nacionalnega inštituta za zdravje, skupaj z drugimi nepovratnimi sredstvi, ki si jih prizadevajo zagotoviti. Če bo šlo vse v redu, bo naslednji preizkus, ali je pripomoček do volje, na ljudeh.
