Novi materijal inspiriran građom ljudskih pluća omogućuje prolaz kisika i vodene pare, smanjuje nakupljanje topline i znoja te bi u budućnosti mogao unaprijediti nosive medicinske senzore, obloge za rane i druge zdravstvene uređaje.
Nosivi zdravstveni uređaji koji mogu kontinuirano pratiti različite promjene u tijelu posljednjih su godina postali jedan od važnih smjerova razvoja moderne medicine. Pametni flasteri i senzori koji se postavljaju na kožu mogu pratiti rad srca, razinu određenih tjelesnih parametara ili pomoći u praćenju oporavka pacijenata.
Ipak, jedan od izazova s kojima se znanstvenici još uvijek susreću jest kako omogućiti da takvi uređaji budu dovoljno udobni za dugotrajno nošenje. Materijali koji se najčešće koriste, poput hidrogelova bogatih vodom, mogu zadržavati toplinu i vlagu ispod površine te uzrokovati iritaciju kože, ali i utjecati na točnost mjerenja senzora.
Tim inženjera s Massachusetts Institute of Technologyja (MIT) razvio je novi tip hidrogela koji bi mogao riješiti taj problem. U istraživanju objavljenom u časopisu Nature, prenosi ScienceAlert, znanstvenici su predstavili materijal s posebnom trodimenzionalnom mrežom mikroskopskih kanala ispunjenih zrakom – dizajn koji su inspirirali ljudskim plućima.
Hidrogel koji „diše“ poput pluća
Hidrogelovi su materijali koji sadrže veliku količinu vode, zbog čega su mekani, fleksibilni i ugodni za kontakt s tijelom. Upravo ih ta svojstva čine korisnima u medicinskim primjenama, ali istodobno mogu predstavljati problem jer otežavaju prolazak plinova i vodene pare.
Novi MIT-ov materijal zadržava čak 70 posto vode, ali istodobno omogućuje znatno bolju izmjenu plinova. U laboratorijskim testovima postigao je propusnost kisika do 185 barrera – mjerne jedinice koja se koristi za procjenu propusnosti materijala za plinove. To je približno deset puta veća propusnost za kisik u odnosu na klasične hidrogelove.
Znanstvenici su za stvaranje ovog materijala dodali malu količinu čestica silika aerogela, koje se mogu opisati kao svojevrsni „čvrsti mjehurići zraka“. Te čestice odbijaju vodu, zadržavaju zrak i sprječavaju urušavanje sitnih zračnih prostora unutar hidrogela.
Tijekom izrade čestice su se povezale i stvorile tanku, međusobno povezanu mrežu zračnih kanala kroz koje mogu prolaziti kisik i vodena para, dok materijal istodobno zadržava visoku razinu hidratacije.
Manje topline i znoja ispod medicinskih flastera
Novi hidrogel pokazao je i značajno bolju sposobnost propuštanja vodene pare. U usporedbi sa silikonskim i poliuretanskim flasterima, omogućio je 10 do 100 puta brže uklanjanje vlage s kože. Osim toga, materijal se pokazao izdržljivim – zadržao je oko 95 posto svoje sposobnosti propuštanja zraka nakon čak 10.000 ciklusa istezanja.
Kako bi provjerili koliko je ugodan za nošenje, istraživači su usporedili nove hidrogelne flastere s uobičajenim silikonskim verzijama. Infracrvene snimke kože napravljene dvije minute nakon uklanjanja flastera pokazale su da je temperatura kože ispod komercijalnog silikonskog flastera porasla za 6,5 stupnjeva Celzijevih nakon samo 20 minuta vježbanja.
Kod novog hidrogela temperatura kože smanjila se za oko jedan stupanj, vjerojatno zato što je materijal omogućio učinkovitije oslobađanje topline. Također, ispod silikonskog flastera nakupljala se veća količina znoja, dok je koža prekrivena novim hidrogelom ostala slična koži koja nije bila prekrivena.
U dodatnom testiranju deset je dobrovoljaca nosilo nove flastere na prsima tijekom sat vremena umjerene tjelesne aktivnosti. Nitko od njih nije prijavio svrbež, iritaciju ili druge neželjene reakcije kože.
Stabilniji EKG signali tijekom vježbanja
Istraživači su novi hidrogel prilagodili i za izradu elektroda koje mogu bilježiti električnu aktivnost srca.
Kod klasičnih hidrogelnih elektroda tijekom vježbanja dolazilo je do pogoršanja kvalitete elektrokardiografskih (EKG) signala kako se ispod njih nakupljao znoj. Elektrode izrađene od novog, zrakopropusnog hidrogela zadržale su jasnije i stabilnije signale tijekom i nakon fizičke aktivnosti.
U testiranju dugotrajnog praćenja, sudionici su nosili hidrogelne elektrode deset dana bez prekida. Uređaji su i dalje uspješno bilježili EKG podatke tijekom različitih aktivnosti, uključujući spavanje, rad, hodanje i vježbanje.
Moguća primjena u budućnosti – od senzora do implantata
Glavni autor studije Xuanhe Zhao, inženjer strojarstva s MIT-ja, smatra da bi prve primjene ovog materijala mogle biti u nosivim medicinskim uređajima, oblogama za rane i senzorima koji se postavljaju izravno na kožu.
– Ove tehnologije često zahtijevaju dugotrajan kontakt s kožom, ali konvencionalni hidrogelovi zadržavaju toplinu i vlagu jer ne omogućuju dovoljan prolaz kisika i vodene pare – objasnio je Zhao. Dodao je kako novi materijal uklanja taj problem, a pritom zadržava mekoću i visok udio vode zbog kojih su hidrogelovi udobni i kompatibilni s tijelom.
Ipak, novi hidrogel još nije spreman za kliničku primjenu. Prije nego što bi mogao biti korišten u medicini, bit će potrebna dodatna istraživanja koja će procijeniti njegovu dugoročnu sigurnost, biokompatibilnost, mogućnost sterilizacije, masovne proizvodnje, rok trajanja i regulatorne zahtjeve.
Dosadašnja testiranja na ljudima bila su mala i prvenstveno su služila za dokazivanje izvedivosti tehnologije. Testovi udobnosti i vježbanja uključivali su do deset dobrovoljaca, mjerenja fiziologije kože samo dvije osobe, a usporedba EKG signala tijekom vježbanja provedena je na tri sudionika. Zbog toga će biti potrebna veća i raznolikija istraživanja kako bi se rezultati potvrdili.
Potencijal i za regenerativnu medicinu
Znanstvenici također ističu da će materijal trebati prilagoditi različitim namjenama jer obloge za rane, nosivi senzori i implantati imaju različite zahtjeve. Trenutačna verzija hidrogela nije samoljepljiva, pa bi za pričvršćivanje na kožu i dalje bio potreban dodatni sloj ili mehanizam.
U budućnosti bi se ovakav dizajn mogao primjenjivati i u regenerativnoj medicini te kod implantabilnih uređaja. Jedan od velikih izazova u uzgoju umjetnih tkiva jest osigurati dovoljan dotok kisika stanicama.
– Mnoga umjetno uzgojena tkiva i implantati trebaju učinkovit prijenos kisika kako bi stanice ostale održive. Naš materijal pruža mogućnost poboljšanja izmjene plinova uz očuvanje hidratiziranog okruženja koje je stanicama potrebno – rekao je Zhao.
Ipak, za primjenu unutar tijela bit će potrebno provesti znatno više istraživanja, zbog čega su primjene na koži najizgledniji prvi korak.
(Ordinacija.hr)
