Er is steeds meer behoefte aan elektronica die lichaamsfuncties meet; vooral in de zorg, maar ook in de topsport. Kleine sensoren die je op de huid plakt, sluiten echter het transport van vocht af en kunnen irritatie veroorzaken. Japanse ingenieurs presenteren nu de oplossing: een plaksensor die naadloos op de huid aansluit én ademend is.

Read this article in English

Het komt regelmatig voor dat een arts de gezondheid van een patiënt een tijdje in de gaten wil houden, terwijl die zijn gewone leven leidt. Hoe gaat het met diens bloeddruk; wat zijn bloedwaarden; hoe varieert de suikerspiegel gedurende de dag?

Moest je voor dit soort vragen vroeger nog allerlei omslachtige metingen doen met grote apparaten, de laatste jaren komen er steeds meer kleine meetapparaatjes beschikbaar die de patiënt de hele dag door kan dragen. Die hebben de vorm van een pleister (lees: ‘Digitale pleister houdt patiënt in de gaten’) of zijn zelfs nog dunner (lees: ‘Tattoo-plaatje meet UV-straling’, ‘Elektrische tattoo uit de printer’ en ‘Tatoeage meet glucose in bloed’).
 

Hele dag dragen

Die dunne sensoren hebben als grootste voordeel dat je ze de hele dag kunt dragen en dat er dus veel meer metingen per dag beschikbaar komen. Dit geeft artsen en verplegers een beter beeld van symptomen, bij het vermoeden van een ziekte, of het herstel na een ziekte. Maar dit soort hightech plakplaatjes hebben ook een nadeel. Ze zijn meestal luchtdicht, waardoor de huid eronder niet kan ademen. Dit kan leiden tot jeuk of ernstigere vormen van irritatie; in het slechtste geval zelfs tot een infectie.

Hiervoor lijkt gelukkig een oplossing nabij. Onderzoekers en ingenieurs onder leiding van de University of Tokyo hebben een elektronische sensor ontwikkeld die op de huid wordt aangebracht, maar toch prima vocht en lucht doorlaat (persbericht). Proefpersonen die de patch een week lang droegen, hadden geen enkele last van irritatie. De droom is dat de drager van zo’n flinterdunne pleister vergeet dat hij er zit.
 

Nanovezels van goud

De plakelektrode van de Japanners bestaat uit nanovezels van goud die kriskras door elkaar liggen en zo een structuur opleveren die stroom geleidt (zie afbeelding). Om deze structuur te maken, waren een paar stappen nodig. Om te beginnen maakten de onderzoekers vezels van polyvinylalcohol (PVA) met electrospinning. Op dit vezelnetwerk legden ze een laagje goud neer van 70 - 100 nm dik; door een masker te gebruiken, ontstond al het gewenste patroon. Een plakplaatje van dit materiaal met twee componenten (PVA-vezels met een dun laagje goud) legden ze op de huid. Door dit nu met water te besproeien, loste het PVA op in het water en was het weg te spoelen. Het resultaat is een flinterdunne (enkele tientallen nanometers), flexibele plaksensor van goud die nauw aansluit op de rondingen van de huid; het laagje volgt zelfs de ribbeltjes van je vingerafdruk.

 

Testen

Boven: close-up van een vingertop met geleidende
goudbaantjes. Witte balkje meet 1 mm.
Onder: microscoopopname van de
gouden nanovezels. Het witte balkje is 5 µm lang.
Bron Miyamoto et al., Nature Nanotechnology, 2017.

Dat ziet er prachtig uit, maar hoe functioneert de plakelektrode eigenlijk? Om te beginnen lieten de Japanners zien dat die geschikt is om een electromyogram uit te voeren; een test om de geleiding van zenuwen en activiteit van spieren te onderzoeken.

Vervolgens kregen twintig proefpersonen deze plakelektrode op een vinger. Ze droegen deze een week lang. Na die week keken de onderzoekers hoe het ging met de huid onder en rond de plakker. Daarbij bleek in geen enkel geval irritatie of erger te zijn opgetreden.

In een andere test bepaalde de onderzoekers de doorlaatbaarheid van waterdamp door de plakker. In vergelijking met andere materialen voor plaksensoren – een plastic folie en een dun laagje rubber – liet de nieuwe plakker veruit het meeste damp door. Hoogstwaarschijnlijk is het aan deze eigenschap te danken dat de proefpersonen geen last kregen van jeuk.
 

Bestand tegen dagelijks gebruik

Een andere eis aan dit soort plaksensoren is dat ze lang meegaan. Daarvoor moeten ze behoorlijk bestand zijn tegen allerlei vervormingen door dagelijks gebruik. De Japanse wetenschappers testten hun plaksensor door hem honderden keren te buigen en uit te rekken. Daarna had deze geen meetbaar slechtere eigenschappen gekregen. De elektrische geleiding is goed, maar neemt langzaam af wanneer de plaksensor met meer dan 15 % wordt uitgerekt.

De resultaten laten volgens de onderzoekers zien dat deze materialen en deze maakmethode veelbelovend zijn om praktisch bruikbare sensoren mee te gaan maken. ‘In de toekomst kunnen we de vitale functies van patiënten monitoren zonder dat zij er last of stress van hebben’, aldus onderzoeksleider en hoogleraar Takao Someya in het persbericht. Maar ook topsporters kunnen ervan profiteren. Zij kunnen tijdens trainingen allerlei belangrijke waarden bepalen, zonder dat ze gehinderd worden door het meetapparaat.

Beeldmateriaal: University of Tokyo