Un patch din mătase permite monitorizarea fără durere a sănătății bebelușilor prematuri
În unitatea de terapie intensivă neonatală, pacienții cei mai fragili din medicină sunt adesea cei mai conectați la aparate. Bebelușii prematuri, unii cântărind mai puțin de o liră, pot fi legați de un amestec de cabluri, monitoare și senzori. Fiecare recoltare de sânge pentru a verifica nivelurile de zahăr sau electroliți înseamnă o altă injecție, un alt bandaj, un alt moment de stres pentru un nou-născut a cărui piele este încă în formare.
O echipă de cercetători de la Silklab, Tufts University, Helmholtz Munich, Ludwig Maximilian University (LMU) Munich și Technical University of Munich a dezvoltat o alternativă radical mai blândă: un sticker din mătase, ușor ca o pană, mai mic decât o monedă, care monitorizează în tăcere patru semnale critice de sănătate simultan, doar prin schimbarea culorii.
Lucrarea publicată în ACS Sensors descrie un patch purtabil care captează temperatura, pH-ul, sodiul și glucoza din picăturile de fluid care trec natural prin pielea încă în dezvoltare a unui bebeluș. Un sistem de inteligență artificială citește schimbările de culoare ale patch-ului prin orice cameră standard, chiar și în mediul umed și greu de fotografiat al unui incubator, și le traduce în numere precise pe care un clinician le poate folosi.
Capacitatea de a urmări multiple semnale critice de sănătate într-un singur patch ajută la crearea unei imagini mai precise a progresului bebelușului. „Există mult mai multe informații în modul în care multiple variabile se mișcă relativ una față de cealaltă decât în orice variabilă singulară”, a spus Fiorenzo Omenetto. „Dacă urmărești doar un singur număr, citești o linie dintr-o poveste mult mai lungă. Am vrut să creăm o interfață de detectare care să ofere clinicianilor întregul paragraf.”
Patch-ul oferă, de asemenea, un mediu de monitorizare mai sigur pentru bebeluș. „Nou-născuții sunt cei mai pretențioși pacienți pe care îi avem”, a declarat Anne Hilgendorff, un neonatolog și cercetător la Helmholtz Munich, LMU Munich și Universitatea Carl von Ossietzky Oldenburg. „Ceea ce am construit este conceput în jurul acestei realități: fără ace, fără cabluri, nimic care să tragă sau să irite pielea. Doar un mic patch care ascultă corpul.”
„Nu înlocuim laboratorul”, a avertizat Benjamin Schubert, care conduce cercetarea în sănătate computațională la Helmholtz Munich. „Prindem lucrurile care se întâmplă între testele de laborator – deriva lentă către o problemă pe care nimeni nu o vede până devine o urgență. Aici, monitorizarea continuă, non-invazivă salvează vieți.”
Patch-ul este construit din straturi, fiecare având doar fracțiuni de milimetru grosime. Primul strat este o bază din fibroină de mătase, derivată din coconii de molii de mătase, care stabilizează moleculele biologice delicate, inclusiv enzimele care, în mod normal, necesită refrigerare, astfel încât patch-ul să fie stabil și robust. Al doilea strat este o foaie din hârtie imprimată cu ceară, care funcționează ca un mic sistem de instalație, absorbând volume microscopice de fluid și direcționându-le către fiecare punct de detectare. Al treilea strat este un adeziv medical impermeabil care sigilează totul împotriva umidității calde dintr-un incubator și permite patch-ului să se flexeze împreună cu pielea bebelușului.
În mod crucial, patch-ul este conceput în jurul a ceea ce fac efectiv bebelușii prematuri – aceștia pierd fluid interstițial prin piele în rate mari deoarece bariera pielii lor nu s-a dezvoltat complet, transformând o vulnerabilitate într-o oportunitate de diagnosticare.
Această pierdere de fluid oferă o mostră continuă, nedureroasă. Atunci când transpirația sau fluidul interstițial ajung la patch, fiecare dintre punctele de vopsea își schimbă culoarea. De exemplu, de la galben la roșu închis pentru glucoză, sau de la albastru la mov pentru sodiu.
Schimbările de culoare sunt notoriu dificile de citit fiabil în condiții de iluminare diferite într-un spital. Pentru a corecta iluminarea, unghiul și mișcarea, echipa de cercetare a construit un model de învățare profundă AI care corectează automat și convertește culorile patch-ului în măsurători precise. Precizia este de peste 91% pentru semnalele vitale critice și peste 98% pentru nivelurile scăzute de zahăr din sânge.
Echipa de cercetare este atentă să numească lucrarea actuală o dovadă a principiului. Pașii următori includ studii mai mari în unități neonatale reale, corelarea citirilor patch-ului cu mostrele tradiționale de sânge pentru a confirma cât de aproape reflectă fluidul de piele ceea ce se întâmplă în sângele bebelușului și extinderea datelor de antrenament ale AI în diverse medii.
Pe termen lung, aceeași platformă ar putea fi extinsă la saturația de oxigen, dioxid de carbon și alți parametrii și, având în vedere că senzorul în sine costă câțiva cenți de fabricat și nu necesită energie, cabluri sau refrigerare, este perfect adaptat pentru medii cu resurse limitate, cum ar fi comunitățile rurale izolate sau țările în dezvoltare, unde mortalitatea neonatală rămâne ridicată, iar monitorizarea de înaltă calitate este adesea inaccesibilă.
„O bucată de hârtie, o picătură de mătase și o cameră de smartphone”, a spus Omenetto. „Dacă asta ar putea deveni tot ce trebuie pentru a menține un bebeluș mai în siguranță, atunci ar trebui să punem unul în fiecare incubator de pe planetă.”
