科学家们创造出类似纹身的传感器来显示血氧水平

人们纹身是为了纪念一个事件或一个人,发表一个声明,或者仅仅作为一种审美点缀。但是想象一下一个可以发挥作用的纹身——告诉你锻炼时使用了多少氧气,在一天中的任何时间测量你的血糖水平,或者监测许多不同的血液成分或暴露于环境毒素中。

科学家们创造出类似纹身的传感器来显示血氧水平

皮肤下的丝基材料会因氧气而改变颜色,未来可能会被用于追踪葡萄糖和其他血液成分

人们纹身是为了纪念一个事件或一个人,发表一个声明,或者仅仅作为一种审美点缀。但是想象一下一个可以发挥作用的纹身——告诉你锻炼时使用了多少氧气,在一天中的任何时间测量你的血糖水平,或者监测许多不同的血液成分或暴露于环境毒素中。

现在,塔夫茨大学的工程师们朝着实现这一目标迈出了重要的一步,他们发明了一种放置在皮肤下的丝基材料,当暴露于血液中不同水平的氧气时,这种材料在灯下会发出更亮或更暗的光。

目前仅限于读取氧气水平的新型传感器由一种由丝蛋白成分(称为丝心蛋白)形成的凝胶组成。丝素蛋白具有独特的特性,使其特别适合作为可植入材料。

当它们重新组装成凝胶或薄膜时,可以对其进行调整以形成在皮肤下持续数周至一年以上的结构。当丝绸确实分解时,它与身体相容,不太可能引发免疫反应。

科学家们创造出类似纹身的传感器来显示血氧水平

血液中的物质,如葡萄糖、乳酸、电解质和溶解氧,为了解身体的健康和表现提供了一个窗口。在医疗保健机构中,他们通过抽血或连接到笨重机器上的患者进行跟踪。在跟踪某些条件时,能够在任何环境中无创地持续监测其水平可能是一个巨大的优势。

例如,糖尿病患者必须经常每天抽血以读取葡萄糖,以决定吃什么或何时服药。相比之下,塔夫茨团队制定的愿景是让监控变得更加容易,实际上是通过照亮一个人的状况。

工程学院斯特恩家族工程学教授、该研究的首席研究员大卫卡普兰说:“丝绸提供了许多伟大特性的显着融合,我们可以将其制成薄膜、海绵、凝胶等。它不仅具有生物相容性,而且可以在不改变化学成分的情况下容纳添加剂,而且这些添加剂可以具有检测环境中分子的传感能力。氧气传感器是我们可以创建的一系列传感器的概念验证。”

丝蛋白的化学性质使它们更容易在不改变其特性的情况下拾取和保存添加剂。为了制造氧气传感器,研究人员使用了一种名为 PdBMAP 的添加剂,它在暴露于特定波长的光时会发光。这种辉光的强度和持续时间与环境中的氧气含量成正比。

丝凝胶对其周围的液体是可渗透的,因此 PdBMAP “看到”周围血液中相同的氧气水平。PdBMAP 也很有用,因为它在暴露于可以穿透皮肤的光时会发光或发出磷光。其他传感器候选者可能只对无法穿透皮肤的光波长做出反应。

研究人员更多地依赖磷光的“持续时间”成分来量化氧含量,因为发光强度会随着植入物的深度和大小、皮肤颜色和其他因素而变化。辉光的持续时间随着氧气含量的增加而减少。

在实验中,植入式传感器实时检测动物模型中的氧气水平,并准确跟踪高、低和正常的氧气水平。随着 COVID-19 大流行,公众对能够追踪患者体内氧气水平的重要性日益提高,当患者的氧气水平变得严重低时,他们不得不住院接受治疗。

卡普兰实验室的研究生托马斯·法尔库奇(Thomas Falcucci)开发了这种纹身传感器,他说:“我们可以设想许多场景,其中皮肤下的类似纹身的传感器会很有用。这通常发生在需要在传统临床环境之外长期监测患有慢性病的人的情况下。我们可能会使用皮下的传感器阵列来跟踪多种血液成分。”

这种类似纹身的传感器是Kaplan 实验室不断增长的从丝蛋白衍生的潜在医疗产品组合中的最新产品,从骨科植入物到用于在心脏和骨骼中创建新组织的脚手架。

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