Графеновые татуировки постоянно измеряют артериальное давление

Сверхлегкие датчики могут работать в течение нескольких дней.
Измерение артериального давления не сильно изменилось с момента изобретения в 1881 году надувного сфигмоманометра на основе манжеты . Люди могут использовать устройство для измерения несколько раз в день, но этого недостаточно, чтобы получить целостное представление о состоянии сердечно-сосудистой системы.

Новые электронные татуировки из графена непрерывно измеряют артериальное давление в течение нескольких дней. Ультратонкие световые датчики могут позволить контролировать кровяное давление пациента, когда он занимается своими повседневными делами.

«Артериальное давление — действительно важный жизненно важный показатель», — говорит Розбех Джафари , профессор электротехники и вычислительной техники Техасского университета A&M. «Стресс может убить. Стресс приводит к изменениям артериального давления, но у нас нет возможности его измерить или понять. Так что, если есть технология для непрерывного измерения артериального давления, это изменит правила игры».

Люди с сердечно-сосудистыми заболеваниями и гипертонией должны регулярно контролировать артериальное давление. Чтобы сделать это ненавязчиво, в последние годы исследователи разработали методы без манжет. Некоторые полагаются на носимые акустические датчики, которые измеряют изменения ультразвуковых сигналов, проходящих через ткани, или датчики давления, которые могут обнаруживать расширение кровеносных сосудов в запястье. Они громоздки и могут перемещаться, искажая измеряемые сигналы.

Датчики на основе света, такие как датчики в фитнес-браслетах и ​​смарт-часах, могут точно измерять частоту сердечных сокращений по капиллярам в коже, но свет не проникает достаточно глубоко, чтобы обнаружить волну артериального давления.

В новом датчике артериального давления используются графеновые электронные датчики татуировки, изобретенные в 2017 году профессором электротехники и вычислительной техники Деджи Акинванде из Техасского университета в Остине. Джафари и Акинванде совместно работали над новыми графеновыми датчиками артериального давления, о которых они сообщили в журнале Nature Nanotechnology .

Чтобы сделать татуировки, исследователи выращивают один или два слоя графена на медной фольге, покрывают ее ультратонким слоем акрила толщиной 200 нанометров и переносят его на коммерческую бумагу для временных татуировок. Толщина графена на уровне атомов означает, что пластыри очень хорошо прилегают к коже, говорит Акинванде, поэтому они прилипают без клея и остаются на месте. Кроме того, владелец их не чувствует.

Сегменты медной фольги приклеены к запястью.  Метки изображения идентифицируют лучевую и локтевую артерии, а также пятна в виде инъекции переменного тока.В прототипе системы непрерывного мониторинга артериального давления сегменты медной фольги прикрепляются к запястью. Метки изображений идентифицируют лучевую и локтевую артерии человека, а также места для «инъекции» (введения) низкоуровневого сигнала переменного тока. ТЕХАССКИЙ УНИВЕРСИТЕТ В ОСТИНЕ/ТЕХАССКИЙ УНИВЕРСИТЕТ A&M/NATURE NANOTECHNOLOGY
Чтобы определить кровяное давление, исследователи используют графеновые датчики для измерения биоимпеданса — электрического сопротивления потоку тока через ткань. Они прикрепляют два ряда по шесть графеновых татуировок на запястье участника. Каждый ряд располагается прямо над одной из двух основных артерий на запястье. Крайние патчи в каждом ряду посылают небольшие электрические токи в руку, а четыре внутренних патча измеряют изменения напряжения, что помогает рассчитать импеданс.

По словам Джафари, импеданс отражает изменение объема крови в артериях, но не напрямую влияет на кровяное давление. Поэтому команда создала алгоритм машинного обучения для точной оценки артериального давления на основе нескольких различных параметров, включая изменение объема крови, время прохождения импульса давления между двумя участками, разницу во времени между поступлением импульса на две артерии и Эластические свойства артерий.

В качестве демонстрации исследователи прикрепили графеновые датчики к семи участникам и измерили кровяное давление, пока добровольцы выполняли активные упражнения. Чтобы определить точность, они сравнили показания с периодическими показаниями, полученными с использованием золотого стандарта манжеты для измерения артериального давления.

Некоторые участники отправились на напряженную прогулку на улице при температуре 38 ° C, а другие выполняли отжимания. Татуировки не разрушались после воздействия света и тепла, контакта с водой или потом. Исследователи могли непрерывно контролировать артериальное давление в течение пяти часов. По словам Джафари, легко возможен более длительный мониторинг, поскольку татуировки сохраняются в течение семи дней.

Этот датчик первого поколения является проводным. Данные о напряжении поступают от татуировок к считывающей электронике по металлическим проводам. Но Акинванде говорит, что в дальнейшем они планируют разработать беспроводной датчик. «Это потребовало бы от нас разработки чипа, который будет отправлять данные по беспроводной сети», — говорит он.