2040 년이라고 상상해보십시오. 그리고 당뇨병을 앓고있는 12 살짜리 아이는 입에 껌을 씹습니다. 팔뚝의 일시적인 문신은 혈류에 설탕이 상승하여 해당 정보를 전화로 보냅니다. 이 건강 모니터링 문신의 데이터도 클라우드에 업로드되어 엄마가 탭을 유지할 수 있습니다. 그녀는 자신의 일시적인 문신을 가지고 있습니다. 운동을 할 때 땀의 젖산을 측정하고 혈압과 심박수를 지속적으로 추적하기 위해 다른 하나는 땀을 흘립니다.
현재 그러한 문신은 존재하지 않지만 주요 기술은 전 세계의 실험실에서 작업 중입니다. 매사추세츠 대학교 Amherst의 실험실. 전자 문신은 사람들이 심혈관, 대사, 면역 체계 및 신경 퇴행성 질환을 포함한 복잡한 의학적 상태를 추적하는 데 도움이 될 수 있습니다. 거의 절반 우리 중 성인 중 성인은 아직 이러한 장애 중 하나 이상의 초기 단계에있을 수 있지만 아직 알지 못합니다.
심각한 문제가 나타나기 오래 전에 초기 스크리닝 및 건강 추적을 허용하는 기술은 더 나은 결과를 초래할 것입니다. 우리는식이 요법, 신체 활동, 환경 노출 및 심리적 상황과 같은 질병과 관련된 요인을 볼 수 있습니다. 그리고 우리는 명백히 건강한 개인의 활력 징후와 환경의 매개 변수를 추적하는 장기 연구를 수행 할 수 있습니다. 이 데이터는 변형 적이어서 더 나은 치료와 예방 치료를 초래할 수 있습니다. 그러나 몇 주 또는 몇 달에 걸쳐 개인을 모니터링 할 수있을뿐만 아니라 엔지니어링 혁신으로 만 몇 년을 달성 할 수 있습니다. 평범한 사람들이 자신의 삶에 대해 일상적으로 사용할 수있는 저렴한 센서.
이 기술을 구축하는 것은 2D 바이오 일렉트로닉스 실험실우리는 그래 핀과 같은 원자 적으로 얇은 물질을 연구합니다. 나는 이러한 재료의 특성이 고급적이고 눈에 띄지 않는 생물학적 모니터에 독특하게 적합하다고 생각합니다. 우리 팀은 화학적 또는 생리적 바이오 센싱을 위해 누구나 피부에 배치 할 수있는 그래 핀 전자 문신을 개발하고 있습니다.
표피 전자 제품의 상승
껍질과 스틱 센서의 아이디어는 획기적인 작업에서 비롯됩니다. 존 로저스 노스 웨스턴 대학교 팀. 그들의 “표피 전자 장치”는 최첨단 실리콘 칩, 센서, 조명 방출 다이오드, 안테나 및 변환기를 얇은 표피 패치로 내장하여 다양한 건강 요인을 모니터링하도록 설계되었습니다. Rogers의 가장 유명한 발명품 중 하나는 무선 스틱 온 세트입니다. 신생아를위한 센서 간호사가 깨지기 쉬운 아기를 더 쉽게 돌보고 부모가 껴안을 수 있도록하는 중환자 실에서. 로저스의 웨어러블은 일반적으로 밀리미터 두께 미만이므로 많은 의료 응용 분야에서 충분히 얇습니다. 그러나 사람들이 몇 년 동안 항상 기꺼이 입을 기꺼이 패치를 만들기 위해서는 훨씬 덜 무관하게 무언가가 필요합니다.
더 얇은 웨어러블 센서를 찾아서 Idinwinder 그리고 Nanshu Lu오스틴에있는 텍사스 대학교 교수, 그래 핀 전자 문신을 만들었습니다 (GETS) 2017 년. 첫 번째는 약 500 나노 미터 두께가 어린이가 입는 장난스러운 임시 문신처럼 적용되었습니다. 사용자는 단순히 종이 조각을 곁에있어 폴리머에 의해지지 된 그래 핀을 피부로 옮깁니다.
그래 핀 탄소 원자의 단일 층으로 구성된 놀라운 물질입니다. 매우 전도성이 높고 투명하며 가벼우 며 강하며 유연합니다. 전자 문신에서 사용될 때는 눈에 띄지 않습니다. 사용자는 피부에 존재하는 것을 느낄 수 없습니다. 1- 원자 두께의 그래 핀 (다른 재료의 층과 결합)을 사용한 문신은 대략 100 분의 1의 두께입니다. 그들은 부드럽고 유연하며 모든 그루브와 릿지를 따라 인간 해부학에 완벽하게 부합합니다.
어떤 사람들은 실수로 그래 핀이 생체 적합성이 아니며 생체 전자 응용 분야에서 사용할 수 없다고 생각합니다. 10 년 전, 그래 핀 개발 초기 단계에서 일부는 예비의 보고서 그래 핀 플레이크는 주로 크기와 특정 유형의 그래 핀의 제조에 사용되는 화학 도핑 때문에 살아있는 세포에 독성이 있음을 발견했습니다. 그러나 그 이후로 연구 커뮤니티는 적어도 12 개의 기능적으로 다른 형태의 그래 핀이 있다는 것을 깨달았으며, 그 중 다수는 산화 시트, 그래 핀을 포함하여 독성이 없다. 화학 증기 증착을 통해그리고 레이저-유도 된 그래 핀. 예를 들어, 2024 종이 IN 자연 나노 기술 보고 된 독성이나 부작용이 없습니다 옥사이드 나노 시트가 흡입 될 때.
우리는 e-tattoos를 만드는 데 사용되는 1- 원자 두께의 그래 핀 시트가 완전히 생체 적합성이라는 것을 알고 있습니다. 이 유형의 그래 핀은 이미 사용되었습니다 신경 임플란트 독성의 징후없이 신경 세포의 증식. 우리는 작은 피부 자극조차도 부작용이없는 수십 명의 피험자에 대한 그래 핀 기반 문신을 테스트했습니다.
Akinwande와 Lu가 2017 년에 첫 번째 Gets를 만들었을 때 방금 박사 학위를 마쳤습니다. ~에 생체 전자 공학 독일 연구소에서 연구 센터 Jülich. 나는 Akinwande의 실험실에 합류했으며, 최근에는 Amherst의 실험실에서 작업을 계속했습니다. 공동 작업자와 저는 Gets ‘Performance를 개선하는 데 상당한 진전을 보였습니다. 2022 년에 우리 버전 2.0에 대한 보고서를 게시했습니다그리고 우리는 기술을 계속 발전 시켰습니다.
심장병에 대한 전자 문신
세계 보건기구 (World Health Organization)에 따라 심혈관 질환은 전 세계적으로 사망의 주요 원인식이 요법, 생활 양식 및 환경 오염을 포함한 인과 적 요인. 사람들의 심장 활동, 특히 심박수와 혈압의 장기 추적은 문제의 징후를 보이는 사람들에게 탭을 유지하는 간단한 방법 일 것입니다. 우리의 e-tattoos는이 목적에 이상적입니다.
심장 조직이 근육이 각각의 심장 박동을 생성하기 위해 분극 및 재분극 할 때 명백한 전기 신호를 생성하기 때문에 심박수를 측정하는 것이 더 쉬운 작업입니다. 그러한 것을 감지합니다 심전도 신호, 우리는 한 쌍의 사람의 피부를 가슴 근처의 가슴이나 두 팔에 놓습니다. 세 번째 문신은 다른 곳에 배치되어 기준점으로 사용됩니다. a라고 알려진 것 차동 증폭 공정, 증폭기는 3 개의 전극 모두에서 신호를 가져 오지만 기준과 측정 전극 모두에 나타나는 신호를 무시하고, 두 측정 전극 사이의 차이를 나타내는 신호 만 증폭시킨다. 이런 식으로, 우리는 인체의 주변 전기 생리 학적 소음에서 관련 심장 전기 활동을 분리합니다. 우리는 회사의 기성품 앰프를 사용하고 있습니다 OpenBci 무선 장치로 포장되어 있습니다.
문신을 통해 혈압을 지속적으로 측정하는 것은 훨씬 더 어렵습니다. 우리는 UT Austin의 Akinwande와 공동 작업을 시작했습니다. 루즈베 자파리 Texas A & M University (현재 MIT의 Lincoln Laboratory). 놀랍게도, 혈압 모니터 오늘날 의사가 의사가 100 년 전에 사용했던 것과 크게 다르지 않습니다. 당신은 거의 확실히 그러한 장치를 직접 만났습니다. 이 기계는 보통 팔 위쪽 팔 주위에 놓인 커프를 사용하여 혈액의 흐름을 잠시 멈출 때까지 동맥에 압력을 가하고 커프가 천천히 수축합니다. 수축하는 동안, 기계는 심장이 동맥을 통해 혈액을 밀고 가장 높은 (수축기) 및 가장 낮은 (이완기) 압력을 측정함에 따라 비트를 기록합니다. 커프는 의사의 사무실에서 잘 작동하지만 사람이 움직일 때 지속적인 읽기를 제공하거나 측정 할 수 없습니다. 병원 환경에서, 간호사는 밤에 환자를 깨우기 위해 혈압 판독 값을 취하며, 재택 기기는 사용자가 자신의 수준 모니터링에 대해 사전 예방 조치를 취해야합니다.
우리는 Stick-on Gets에만 사용하는 새로운 시스템을 개발했습니다. 혈압을 측정하십시오 지속적으로 그리고 눈에 띄지 않게. 우리가 설명했듯이 2022 종이GET는 압력을 직접 측정하지 않습니다. 대신 전기를 측정합니다 생체 임피던스– 전류에 대한 신체의 저항. 우리는 여러 가지를 사용하여 작은 진폭 전류 (현재 50 마이크로 앰퍼)를 주입하는데, 이는 피부를 통해 기저 동맥으로갑니다. 동맥의 반대편에 도착한 다음 조직의 임피던스를 측정하십시오. 동맥 내의 혈액의 풍부한 이온 용액은 주변 지방과 근육보다 더 나은 도체 역할을하므로 동맥은 주입 전류의 가장 낮은 저항 경로입니다. 혈액이 동맥을 통해 흐르면서 각 심장 박동마다 부피가 약간 변합니다. 혈액량의 이러한 변화는 임피던스 수준을 변경하고, 이는 혈압과 관련이 있습니다.
바이오 임피던스와 혈압 사이에는 명확한 상관 관계가 있지만 선형 관계는 아닙니다. 따라서 기계 학습이 시작되는 곳입니다. 상관 관계를 이해하기 위해 모델을 훈련시키기 위해서는 실험 세트를 실행하면서 주제의 바이오 impedance를 조심스럽게 모니터링했습니다. 손가락 커프 장치로 혈압을 얻습니다. 우리는 피험자들이 손 그립 운동을 수행하고 손을 빙냉 물에 담그고 혈압을 바꾸는 다른 작업을 수행하면서 데이터를 기록했습니다.
우리의 그래 핀 문신은 이러한 모델 훈련 실험에 필수 불가결했습니다. 바이오 임피던스는 모든 종류의 전극으로 기록 될 수 있습니다. 알루미늄 전극 배열이있는 손목 밴드가 작업을 수행 할 수 있습니다. 그러나 측정 된 바이오 임피던스와 혈압 사이의 상관 관계는 너무 정확하고 섬세하여 전극을 몇 밀리미터 (손목 대다수로 약간 이동하는 것과 같이)만으로 데이터를 쓸모 없게 만듭니다. 우리의 그래 핀 문신은 전극을 전체 기록 동안 정확히 같은 위치에 보관했습니다.
우리가 훈련 된 모델을 갖게되면, 우리는 동일한 피험자의 생체 이온화 데이터를 다시 기록한 다음 해당 데이터에서 수축기, 이완기 및 평균 혈압을 도출합니다. 우리는 이전 연구보다 10 배 더 긴 5 시간 이상 혈압을 지속적으로 측정하여 시스템을 테스트했습니다. 측정은 매우 고무적이었습니다. 문신은 혈압 모니터링 팔찌보다 더 정확한 판독 값을 생성했으며, 그 성능은 IEEE 표준 웨어러블 커프스 혈압 모니터 용.
우리는 진보에 만족하지만 여전히 더 많은 일이 있습니다. 각 사람의 생체 인식 패턴은 독특합니다. 그래서 현재 우리는해야합니다 각 주제에 대해 시스템을 새롭게 교정하십시오. 기계 학습 모델이 이러한 신호 사이의 일반적인 관계를 설명 할 수있는 더 나은 수학적 분석을 개발해야합니다.
다른 심장 바이오 마커 추적
의 지원으로 미국 심장 협회내 실험실은 이제 또 다른 유망한 GET 애플리케이션을 위해 노력하고 있습니다 : 측정 동맥 강성 그리고 플라크 축적 동맥 내에서, 이는 심혈관 질환의 위험 요소입니다. 오늘날 의사는 일반적으로 초음파 및 MRI와 같은 진단 도구를 사용하여 동맥 강성 및 플라크를 확인합니다. 초음파 및 MRI와 같은 진단 도구는 환자가 의료 시설을 방문하고 고가의 장비를 활용하며 고도로 훈련 된 전문가에게 의존하여 절차를 수행하고 결과를 해석합니다.
Gets와 함께 의사는 신체의 여러 위치에서 쉽고 빠르게 측정 할 수있어 지역 및 전 세계 관점을 모두 얻을 수 있습니다. 우리는 문신을 어디서나 붙일 수 있기 때문에 목의 경동맥과 같은 오늘날의 도구로 도달하기 어려운 주요 동맥으로부터 측정 할 수 있습니다. Gets는 또한 전기 측정에 대한 매우 빠른 판독 값을 제공합니다. 그리고 우리는 기계 학습을 사용하여 생체 impedance 측정을 동맥 강성 및 플라크와 연관시킬 수 있다고 생각합니다. 이는 맞춤형 실험 세트를 수행하고 필요한 데이터를 수집하는 문제 일뿐입니다.
이러한 측정을 위해 Gets를 사용하면 연구원들이 강화 동맥과 플라크의 축적이 고혈압의 발달과 관련된 방법을 더 깊이 바라 볼 수 있습니다. 많은 인구 에서이 정보를 오랫동안 추적하면 임상의는 결국 주요 심장 질환으로 이어지는 문제를 이해하고 아마도 질병을 예방할 수있는 방법을 찾는 데 도움이 될 것입니다.
땀에서 무엇을 배울 수 있습니까?
다른 작업 영역에서 내 실험실은 방금 그래 핀 문신을 개발하기 시작했습니다. 땀 바이오 센싱. 사람들이 땀을 흘리면 액체는 소금 및 기타 화합물을 피부에 운반하며 센서는 건강이나 질병의 마커를 감지 할 수 있습니다. 우리는 처음에 집중하고 있습니다 코티솔내분비 시스템의 스트레스, 뇌졸중 및 여러 장애와 관련된 호르몬. 줄 아래로, 우리는 문신을 사용하여 포도당, 젖산염, 에스트로겐 및 염증 마커와 같은 땀의 다른 화합물을 감지하기를 희망합니다.
몇몇 실험실은 이미 땀 바이오 센싱을 위해 수동적 또는 활성 전자 패치를 도입했습니다. 수동 시스템은 화학 지표를 사용합니다 색상을 변경합니다 땀의 특정 구성 요소와 반응 할 때. 활성 전기 화학 장치일반적으로 3 개의 전극을 사용하는 것은 광범위한 농도에 걸쳐 물질을 감지하고 정확한 데이터를 생성 할 수 있지만 대량 전자 장치, 배터리 및 신호 처리 장치가 필요합니다. 그리고 두 유형의 패치는 땀 수집을 위해 번거로운 미세 유체 챔버를 사용합니다.
땀을 흘리면 그래 핀을 트랜지스터로 사용합니다. 우리는 특정 표적에 결합하도록 설계된 항체와 같은 특정 분자를 첨가하여 그래 핀 표면을 수정합니다. 표적 물질이 항체와 상호 작용할 때, 측정 가능한 전기 신호를 생성하여 그래 핀 트랜지스터의 저항을 변화시킨다. 이러한 저항 변화는 표적 분자의 존재 및 농도를 나타내는 판독으로 전환됩니다.
우리는 이미 식품 독소를 감지하고 페리틴 (철을 저장하는 단백질)을 측정하고 COVID-19 및 독감 바이러스. 독립형 센서는 칩처럼 보이며, 우리는 탁상 위에 놓고 실험을 위해 액체에 액체를 떨어 뜨립니다. The의 지원으로 미국 국립 과학 재단우리는 이제이 트랜지스터 기반 감지 접근법을 땀과 직접 접촉하기 위해 피부에 갇힐 수있는 웨어러블 바이오 센서를 얻습니다.
우리는 또한 물 수송을 허용하기 위해 마이크로 홀을 추가함으로써 우리의 장점을 향상 시켰으므로, 땀이 쌓이지 않고 그 기능을 방해하지 않습니다. 이제 우리는 땀 덕트와 문신으로 충분한 땀이 나오도록 노력하여 표적 물질이 그래 핀과 반응 할 수 있도록 노력하고 있습니다.
그래 핀 문신을위한 길
우리의 기술을 사용자 친화적 인 제품으로 바꾸려면 있습니다 몇 가지 엔지니어링 과제. 가장 중요한 것은 이러한 스마트 e-tattoos를 기존 전자 네트워크에 통합하는 방법을 알아 내야합니다. 현재, 우리는 표준 전자 회로에 연결을 연결하여 전류를 전달하고 신호를 기록하며 정보를 전송하고 처리해야합니다. 즉, 문신을 착용 한 사람은 작은 컴퓨팅 칩에 연결되어 데이터를 무선으로 전송해야합니다. 향후 5 ~ 10 년 동안 우리는 e-tattoos를 스마트 워치와 통합하기를 희망합니다. 이 통합은 유연한 그래 핀 문신을 스마트 워치의 강성 전자 장치에 결합하기 위해 하이브리드 상호 연결이 필요합니다.
장기적으로, 나는 완전히 통합 된 전자 회로, 전원 및 통신 모듈에 사용되는 2D 그래 핀 재료를 구상합니다. 마이크로 전자 거인 IMEC 그리고 인텔 이미 실리콘 대신 2D 재료로 만든 전자 회로 및 노드를 추구하고 있습니다.
아마도 20 년 후, 우리는 부드러운 인간 조직과 통합 될 수있는 2D 전자 회로를 가질 수 있습니다. 건강 관련 바이오 마커를 지속적으로 모니터링하고 미묘하고 사용자 친화적 인 디스플레이를 통해 실시간 피드백을 제공하는 피부에 내장 된 전자 제품을 상상해보십시오. 이 발전은 모든 사람에게 인간의 자기 지식의 새로운 시대를 시작하여 자신의 건강을 유지하고 사전에 자신의 건강을 유지하는 편리하고 비 침습적 인 방법을 제공 할 것입니다.