هیدروژل تنفسی شبیه ریه برای حسگرهای پوستی

یک کفشدوزک کوچک، بی‌دغدغه، روی تکه‌ای شناور از ماده‌ای تازه آرام گرفته است. تصویر کوچکی است، اما به ایده‌ای بزرگ اشاره می‌کند: اگر دستگاه‌های نصب‌شونده روی پوست بتوانند گرما و رطوبت را درست مانند ریه‌ها که هوا را جابه‌جا می‌کنند، از خود عبور دهند چه می‌شود؟

حسگرهای پوشیدنی سلامت، پانسمان‌های چسبنده زخم و پچ‌های پزشکی طولانی‌مدت همواره با یک مشکل تکراری روبه‌رو هستند. آن‌ها باید ساعت‌ها یا روزها در تماس با پوست زنده باقی بمانند. اما بیشتر رابط‌های نرم امروزی، هیدروژل‌های پرآب هستند که گرما و عرق را به دام می‌اندازند. نتیجه آن تحریک پوست، افت دقت حسگر و نارضایتی کاربران است. گروهی به سرپرستی مهندسان مؤسسه فناوری ماساچوست مسیر متفاوتی را انتخاب کرده‌اند و هیدروژلی حجیم طراحی کرده‌اند که هوا را از میان شبکه‌ای میکروسکوپی از کانال‌های پایدار عبور می‌دهد، در حالی که همچنان ۷۰ درصد ماده را آب تشکیل می‌دهد.

ریه‌ای درون ژل

این ماده جدید یک ترفند معماری را از ریه‌های انسان وام گرفته است. پژوهشگران به‌جای تکیه بر یک فیلم بسیار نازک برای انتقال گاز، ذرات بسیار ریز آئروژل سیلیکا و آب‌گریز را در یک فرمول رایج هیدروژل جای داده‌اند. این ذرات را می‌توان مانند حباب‌های هوای دائمی و جامد تصور کرد. آن‌ها مانع فروریختن حفره‌های کوچک یا پر شدنشان با آب می‌شوند و به این ترتیب، در زمان ساخت، به‌صورت خودسامان‌ده به شبکه‌ای نازک و به‌هم‌پیوسته از مسیرهای هوایی تبدیل می‌شوند.

این شبکه به اکسیژن و بخار آب اجازه می‌دهد از میان ژل عبور کنند، بدون آنکه نرمی و رطوبتی که هیدروژل‌ها را برای تماس با پوست راحت می‌کند قربانی شود. در آزمون‌های آزمایشگاهی، نفوذپذیری اکسیژن این ماده به مقادیری تا ۱۸۵ بارر رسید، یعنی گاز بسیار آسان‌تر از یک هیدروژل استاندارد از درون ژل حجیم عبور می‌کرد. به بیان ساده، این ماده حدود ده برابر نفوذپذیرتر از مواد رایج امروزی بود.

خنک و خشک نگه داشتن پوست

چرا نفوذپذیری اهمیت دارد؟ چون گرما و عرق به دام‌افتاده از مهم‌ترین دلایل تحریک پوست و اختلال در سیگنال حسگرها هستند. گروه مؤسسه فناوری ماساچوست هیدروژل قابل تنفس خود را با پچ‌های رایج سیلیکونی و پلی‌یورتانی مقایسه کرد. انتقال بخار آب از میان ژل جدید ده تا صد برابر بیشتر از پچ‌های بسته‌تر و کم‌تنفس‌تر بود. پوست نیز به وضعیت طبیعی خود نزدیک‌تر باقی ماند.

در آزمون‌های ساده راحتی، داوطلبان در حالی ورزش کردند که پچ‌ها را روی پوست داشتند. اسکن‌های فروسرخ نشان داد پس از یک تمرین ۲۰ دقیقه‌ای، دمای پوست زیر یک پچ سیلیکونی تجاری ۶٫۵ درجه سلسیوس افزایش یافت. اما زیر هیدروژل تنفسی، دمای پوست حدود یک درجه کاهش پیدا کرد. تجمع عرق زیر پچ سنتی کاملا مشهود بود. در مقابل، پوستی که با هیدروژل پوشانده شده بود، از نظر ظاهر و رفتار بسیار شبیه پوست بدون پوشش باقی ماند.

دوام نیز اهمیت دارد. پژوهشگران ژل را بارها کشیدند. پس از ده هزار چرخه، این ماده حدود ۹۵ درصد از نفوذپذیری هوای خود را حفظ کرد. این پایداری نشان می‌دهد کانال‌ها از نظر مکانیکی پایدارند و صرفا یک کنجکاوی شکننده آزمایشگاهی نیستند.

یک کفشدوزک روی هیدروژل جدیدِ نفوذپذیر در برابر هوا که روی آب شناور است، قرار گرفته است.

از الکترودها تا پایش طولانی‌مدت

این گروه یک کاربرد واقعی را با تبدیل ژل به الکترود پوستی برای ثبت الکتروکاردیوگرام یا نوار قلب نشان داد. الکترودهای هیدروژلی رایج اغلب با تجمع عرق و تغییر امپدانس تماس، کیفیت سیگنال خود را از دست می‌دهند. الکترودهای تنفسی در زمان ورزش با دوچرخه و پس از آن، ردگیری‌های واضح‌تری از نوار قلب ارائه دادند و در یک آزمون طولانی‌تر، به مدت ده روز به‌طور پیوسته سیگنال‌های قابل استفاده قلب را ثبت کردند، در حالی که داوطلبان غذا می‌خوردند، می‌خوابیدند، راه می‌رفتند و کار می‌کردند.

این نتایج امیدوارکننده‌اند، اما هنوز مقدماتی محسوب می‌شوند. آزمون‌های انسانی کوچک بودند. حداکثر ده داوطلب راحتی هنگام ورزش را ارزیابی کردند، تنها دو نفر در سنجش‌های دقیق فیزیولوژی پوست شرکت داشتند و سه شرکت‌کننده در مقایسه نوار قلب هنگام ورزش حضور داشتند. پژوهشگران این محدودیت را شفاف بیان کرده‌اند و هشدار می‌دهند که مطالعات بزرگ‌تر و متنوع‌تر ضروری خواهد بود.

شکاف‌های عملی و گام‌های بعدی

خوانهه ژائو، نویسنده ارشد مقاله و مهندس مکانیک در مؤسسه فناوری ماساچوست، گفت: «این فناوری‌ها اغلب به تماس طولانی‌مدت با پوست نیاز دارند، اما هیدروژل‌های معمولی گرما و رطوبت را به دام می‌اندازند، زیرا امکان عبور کافی اکسیژن و بخار آب را فراهم نمی‌کنند. ماده ما این محدودیت را برطرف می‌کند، در حالی که محتوای بالای آب و نرمی‌ای را حفظ می‌کند که هیدروژل‌ها را راحت و زیست‌سازگار می‌سازد.»

با این حال، این ماده هنوز برای استفاده بالینی آماده نیست. نقاط عطف مهمی در مسیر توسعه باقی مانده است. این گروه، زیست‌سازگاری بلندمدت، آزمایش روی حیوانات بزرگ‌تر، روش‌های استریل‌سازی، تولید مقیاس‌پذیر، ارزیابی عمر نگهداری و ایمنی مقرراتی را از جمله کارهایی می‌داند که باید تکمیل شوند. یک نکته عملی دیگر نیز وجود دارد: خود ژل ذاتا چسبنده نیست، بنابراین هر دستگاه واقعی به یک لایه پشتیبان یا سازوکار اتصال نیاز خواهد داشت.

انواع مختلف محصولات به اصلاحات متفاوتی نیاز خواهند داشت. پانسمان زخم باید خطر عفونت را کنترل کند و به بهبود کمک کند. یک دستگاه کاشتنی باید از چالش‌های استریل‌سازی و یکپارچه‌سازی عبور کند. یک پایشگر پوشیدنی قلب به چسبندگی قابل اعتماد و تماس الکتریکی پایدار نیاز دارد. معماری تنفسی زیربنایی باید برای هر کاربرد به‌طور جداگانه سازگار شود.

دیدگاه کارشناسی

دکتر مایا هارت، پژوهشگر مواد زیست‌پزشکی در دانشگاه استنفورد، گفت: «ایده جاسازی ذرات دائمیِ نگهدارنده هوا درون یک ماتریس آب‌دار هوشمندانه است، زیرا دو نیاز رقیب را از هم جدا می‌کند: انتقال اکسیژن و رطوبت سازگار با بافت. در پایش پوشیدنی، این رویکرد می‌تواند خوانش‌های نادرست و واکنش‌های پوستی را کاهش دهد. برای بافت‌های کاشتنی، این مفهوم به سمت رسانش بهتر اکسیژن اشاره دارد، اما موانع مقرراتی و زیستی بسیار جدی‌تر هستند.»

پیامدهای گسترده‌تر

فراتر از ابزارهای پوشیدنی، این معماری تنفسی جای تأمل دارد. مهندسی بافت و بسیاری از سازه‌های کاشتنی به این دلیل شکست می‌خورند که سلول‌های بخش داخلی اکسیژن کافی دریافت نمی‌کنند. ماده‌ای که محیطی آب‌دار را حفظ کند و هم‌زمان اجازه عبور گاز را بدهد، می‌تواند بقا و عملکرد بافت‌های مهندسی‌شده را بهبود دهد. اما باز هم استفاده کاشتنی به آزمون‌های ایمنی گسترده و احتمالا سال‌ها توسعه نیاز خواهد داشت.

در اینجا یک درس علم مواد نیز وجود دارد. برای حل مشکلات نفوذپذیری، به‌جای طراحی فیلم‌های هرچه نازک‌تر، می‌توان مسیرهایی را درون یک ماده حجیم ایجاد کرد. این تغییر، فضای طراحی تازه‌ای را برای حسگرها، پانسمان‌ها و حتی دستگاه‌های فعال احتمالی باز می‌کند که می‌توانند گاز و همچنین مایعات را تبادل کنند.

نتیجه‌گیری

هیدروژل الهام‌گرفته از ریه مؤسسه فناوری ماساچوست هنوز یک محصول نهایی نیست، اما نمونه‌ای روشن از مهندسی الهام‌گرفته از زیست است که به چالشی واقعی در دستگاه‌های نصب‌شونده روی پوست پاسخ می‌دهد. این ماده در قالب یک ساختار واحد، رطوبت، نرمی، انتقال گاز و تاب‌آوری مکانیکی را متعادل می‌کند. مسیر رسیدن به کاربرد بالینی طولانی است. با این حال، برای بیماران، ورزشکاران و هر کسی که مدت زیادی از یک دستگاه پوشیدنی استفاده می‌کند، ایده پچی که واقعا اجازه می‌دهد پوست نفس بکشد، به‌سرعت جذاب و قانع‌کننده به نظر می‌رسد.

یافته‌ها در نشریه نیچر گزارش شده‌اند.