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电子皮肤贴剂可以恢复失去的感觉并检测疾病

5G频道 2020-10-29 10:58:19

想象一下:多年来,您的手腕都没有感觉到任何物理感觉,然后,医生在您的手上披上了一层薄而柔软的薄膜,就像魔术一样,您可以再次通过手指感到细流。

这听起来像是一个古怪的场景,但事实并非如此。欧洲各地的研究人员在开发可模仿人类皮肤的外观,功能或两者兼而有之的弹性膜补丁方面取​​得了迅速的进展。

电子皮肤(e-skin)被归类为“电子可穿戴设备”,即穿戴在皮肤表面上或附近的智能设备,以提取和分析与穿戴者有关的信息。活动追踪器是最知名的电子可穿戴设备,它通常会感应运动或振动以提供有关用户表现的反馈。更高级的可穿戴设备收集有关人的心率和血压的数据。

但是,电子皮肤的开发人员正把目光放在更高的位置。他们的目标是生产具有先进传感器并具有自我修复能力的可拉伸,坚固,柔性膜。对医学和机器人技术的潜在影响是巨大的。

中枢神经系统

像皮肤一样的膜已经在循环中,该膜粘附在身体表面并检测压力,应变,滑动,力和温度。正在创建其他方法来识别信号疾病的生化变化。许多项目正在研究将机器人或人工假肢包裹起来的皮肤,使这些机器和仪器能够以高度的触觉灵敏度来操纵物体并感知其环境。当然,梦想是开发一种可以与佩戴者的中枢神经系统(例如瘫痪的人)连接的电子皮肤,从而恢复因疾病或创伤而丧失的感觉。

以色列特拉维夫大学的研究人员通过名为PepZoSkin的项目,正在旅途中,他们相信最终将把这个梦想变为现实。他们相信,在十年之内,人造皮肤补丁将足够先进,以提醒佩戴者他们无法自然感知的危险。

研究助理Sharon Gilead博士说:“我有一个坐在轮椅上的朋友,他的腿没有感觉,他不知道热咖啡是否洒在了他的腿上。” “他的想法是,腿上的一块皮肤会发出信号-也许是红灯-当发生问题时会告诉他,从而使他免于严重烧伤。

“这将是第一步。随着我们执行此任务的进展,我们将使薄层(电子皮肤)与神经系统进行对话,以取代缺失的感觉。尽管距离仍然有些遥远,这绝对是我们前进的方向。”

特拉维夫团队正在开发一种无需外部动力即可提取和分析健康信息的皮肤。由于被称为压电现象,膜将自供电。这是指响应于施加的机械应力而在某些材料(包括骨骼,DNA和某些蛋白质)中累积的电荷。简而言之,当您轻轻按压由压电材料制成的电子皮肤时,它会产生电荷。添加一个电路,就可以使用这种电,例如,它可以为起搏器供电。

对于瘫痪的人来说,喝热的饮料会造成电子皮肤的变形,这种变形会被皮肤读取为机械压力,进而转化为电信号。然后,此信号可能会触发该警告灯或声音。

无毒

目前的挑战是找到对人体无毒的压电材料。Gal Fink博士 该学生和PepZoSkin研究员说:“当今使用的压电材料含有铅,会对人体造成伤害。我们专注于生物分子和受生物启发的分子(即模仿人体中发现的实验室制造的分子) 。”

领导该项目的Ehud Gazit教授解释了寻找可开发为安全产品的压电材料的重要性。“我们目前在压电肽材料上的研究将很快产生无铅产品以及目前可用的有毒,充满铅的产品,当然,我们的新材料将会更好,因为它们会可以安全地与人体接触,甚至可以作为植入物使用。”

加齐特教授的团队希望在明年年初将他们的工作提升到一个新的水平。到那时,他们希望选择有机分子并针对压电活性对其进行优化。接下来,他们计划将其开发为功能纳米器件。他们相信,随着时间的流逝,这些将被广泛用于生物学和医学应用中,用作能量收集器和生物传感器,将重要信息直接从人体组织传输回用户或第三方。

疾病

生物传感也是另一个电子皮肤项目A-Patch的核心。科学项目经理Rotem Vishinkin博士与海法以色列理工学院的团队一起,基于“疯狂的想法”开发了一个补丁,该想法是项目协调员Hossam Haick教授大约十年前曾患有传染病可以通过皮肤快速可靠地检测到。

她解释说:“我们已经找到了使用呼吸分析来区分疾病的方法,因此我们认为在皮肤上使用贴剂来“闻”到身体状况可能是可行的。

她特别渴望找到一种快速,非侵入性的方法来检测结核病(TB),这种疾病是高度传染性的疾病,在发展中国家中尤其普遍。结核病每年影响1000万人,并造成140万人死亡。早期检测很重要,因为一旦做出诊断就可以遏制传播,而当感染是新的时抗生素是最有效的。

通常,结核是从患者咳嗽的痰中诊断出来的,但是研究表明,许多人无法提供产生准确结果所需的高质量样本。更重要的是,可能需要多达两周的时间才能提供测试结果,尤其是在偏远地区,样本需要很长的距离才能到达实验室,这使得该疾病需要几天甚至几周的时间才能运行。

A-Patch的目的是开发一种廉价,有效的替代痰液检测的方法。这种超薄,柔韧的贴片使用化学传感器检测结核菌感染时触发的人体有机化合物变化。Vishinkin博士说,由比尔和梅林达·盖茨基金会资助的即将发表的研究表明,A贴片佩戴一个小时后,可以以90%的准确率对TB进行诊​​断。研究小组希望将贴片粘贴到手臂上,从而将佩戴时间减少到五分钟。

一次性A-Patch的价格在1-2美元之间,除了电子阅读器以外,不需要任何实验室设备,医生可以使用该电子阅读器来激活Patch和解释结果。Technion团队已经与专门从事诊断套件的行业合作伙伴进行了合作,以帮助将产品推向市场。Vishinkin博士希望在未来几年内能够进行可行的测试。

她说:“我们估计这些试剂盒的可用市场每年为7100万次测试。” “而且,由于补丁可以在家中使用,因此您不必担心去结核病诊所接受测试的耻辱。这意味着人们将更愿意向前迈进。”

用于将结果从补丁传输到读取器的精确机制仍在研究中。Vishinkin博士说:“我们在电子电路,传感器,数据分析领域拥有合作伙伴,以帮助我们进行项目的各个方面。”

随着时间的推移,Vishinkin博士预计将开发出一种可长期使用的贴剂,例如,在数周内监测结核病治疗方案的有效性。但是,长时间使用补丁很有可能会被撕裂或损坏,从而使其失效。为了减轻这种风险,该项目的科学家开发了一种补丁自我修复机制,一旦发现损坏,该机制可使膜中肽键的基质形成新的网络,从而恢复电子皮肤的完整性。

Vishinkin博士说:“每天都使我们更加接近为结核病创建快速,可靠,简单的诊断工具的目标。” “而且我们不会就此停止。我们正在创建的是一个用于检测疾病的平台,而不仅仅是针对特定疾病的试剂盒。接下来,我们可以轻松地切换到COVID-19。”

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