カリフォルニア大学サンディエゴ校（UCSD）のエンジニアは、首に装着して血圧と心拍数を継続的に追跡しながら、装着者のブドウ糖をはじめ、乳酸塩、アルコール、またカフェインレベルも測定できる、柔らかく伸縮性のあるスキンパッチ（写真）を開発した。 これは、人体の心臓血管信号と複数の生化学的レベルを同時に監視する初のウェアラブルデバイスだ。「このタイプのウェアラブルデバイスは、基礎疾患のある人々が定期的に自分の健康状態を監視するのに非常に役立つ」と、UCSDのナノエンジニアリング博士課程の学生でネイチャーバイオメディカルエンジニアリングの2021年 2月15日にオンライン公開された研究の共同筆頭著者であるLuYin氏は述べている。このオープンアクセスの論文は、「血行動態と代謝のバイオマーカーを同時にモニタリングするための表皮パッチ（An Epidermal Patch for the Simultaneous Monitoring of Haemodynamic and Metabolic Biomarkers.）」と題されている。
「それは、特に人々が COVID-19 パンデミック下で病院への訪問を最小限に抑えている、遠隔患者モニタリングのための素晴らしいツールとしても役立つだろう。」 このようなデバイスは、高血圧と糖尿病を管理している個人、つまり COVID-19 で深刻な病気になるリスクが高い個人に役立つ可能性がある。 また、乳酸値の急激な上昇を伴う血圧の突然の低下を特徴とする敗血症の発症を検出するために使用することもできる。
すべて行うことができる1つの柔らかい皮膚パッチは、血圧やその他のバイタルサインの継続的な監視を必要とするNICUの乳児を含む集中治療室の患者にとっても便利な代替手段を提供する。 現在これらの手順には、患者の動脈の奥深くにカテーテルを挿入し、患者を複数の病院のモニターにつなぐことが含まれている。
「ここでの目新しさは、完全に異なるセンサーとして、切手と同じくらい小さい単一の小さなプラットフォームにそれらを統合することだ」と、UCSDのナノエンジニアリングの教授で研究の共同執筆者であるJoseph Wang博士は述べている。 「我々はこのウェアラブルデバイスで、非常に多くの情報を、日常の活動に不快感や中断を引き起こすことなく、非侵襲的な方法で収集できる。」
新しいパッチは、Wang博士がディレクターを務めるUCSDウェアラブルセンサーセンターでの2つの先駆的な取り組みの成果だ。 Wang博士の研究室では、体内の複数の信号（化学的、物理的、電気生理学的）を同時に監視できるウェアラブルを開発している。 また、UCSDナノエンジニアリング教授のSheng Xu博士の研究室では、研究者らは、体内の深部の血圧を監視できる、柔らかく伸縮性のある電子皮膚パッチを開発している。 研究者らは力を合わせることで、化学センシング（ブドウ糖、乳酸塩、アルコール、カフェイン）と血圧モニタリングを組み合わせた初の柔軟で伸縮性のあるウェアラブルデバイスを作成した。
「各センサーは、物理的または化学的変化の個別の画像を提供する。それらすべてを1つのウェアラブルパッチに統合することで、これらの異なる画像をつなぎ合わせて、我々の体で起こっていることのより包括的な概要を得ることができる」とXu博士は述べている。
このパッチの仕組み
このパッチは、血圧センサーと2つの化学センサーが装備されており、皮膚に順応できる伸縮性のあるポリマーの薄いシートでできている。 化学センサーの1つは汗中の乳酸（身体運動のバイオマーカー）、カフェイン、アルコールのレベルを測定し、もう1つは間質液中のグルコースレベルを測定する。
パッチは、各センサーからの血圧、ブドウ糖、乳酸、アルコール、カフェインの3つのパラメーターを一度に測定できる。
「理論的には、それらすべてを同時に検出できるが、それには異なるセンサー設計が必要になる」と、Wang 博士の研究室の博士課程の学生でもあるYin氏は述べている。
血圧センサーはパッチの中央近くにある。 これは、導電性インクによってパッチに溶接された一連の小さな超音波トランスデューサーで構成されている。 トランスデューサーに電圧が印加されると、トランスデューサーは超音波を体内に送る。 超音波が動脈で跳ね返ると、センサーがエコーを検出し、信号を血圧測定値に変換する。
化学センサーは、導電性インクからパッチにスクリーン印刷された2つの電極だ。 乳酸、カフェイン、アルコールを感知する電極がパッチの右側に印刷されている。 ピロカルピンと呼ばれる薬を皮膚に放出して汗を誘発し、汗に含まれる化学物質を検出することで機能する。 グルコースを感知するもう一方の電極は左側に印刷されている。 皮膚に穏やかな電流を流して間質液を放出し、その液中のブドウ糖を測定することで機能する。
研究者らは、血圧に影響を与えるため、これらの特定のバイオマーカーの測定に興味を持っていた。 「我々は、より正確で信頼性の高い血圧測定を可能にするパラメーターを選択した」と、共同筆頭著者であるWang 博士の研究室のナノエンジニアリング博士課程の学生であるJuliane Sempionatto氏は述べている。
「血圧を監視していて、日中にスパイクが見られ、何かがおかしいと思ったとしよう。しかし、バイオマーカーの読み取りにより、これらのスパイクがアルコールまたはカフェインの摂取によるものかどうかがわかがる。このセンサーの組み合わせにより、この種の情報が得られる。」と彼女は述べた。
テストでは、被験者は次のタスクのさまざまな組み合わせを実行しながら首にパッチを着用した：エアロバイクでの運動、高糖質の食事の摂取、アルコール飲料の摂取、カフェイン飲料の摂取。 パッチからの測定値は、血圧計、血中乳酸計、血糖計、飲酒検知器などの市販の監視装置によって収集されたものとほぼ一致していた。 着用者のカフェインレベルの測定値は、カフェインをスパイクしたラボでの汗サンプルの測定値で検証された。
エンジニアリングの課題
パッチを作成する際の最大の課題の1つは、センサーの信号間の干渉を排除することだった。 これを行うために、研究者は血圧センサーと化学センサーの間の最適な間隔を理解する必要があった。 彼らは、デバイスを可能な限り小さく保ちながら、1センチメートルの間隔でうまくいくことを発見した。
研究者らはまた、血圧センサーから化学センサーを物理的に保護する方法を理解する必要があった。 後者は通常、明確な測定値を生成するために液体超音波ゲルが装備されている。 しかし、化学センサーにも独自のヒドロゲルが装備されており、血圧センサーからの液体ゲルが流出して他のゲルと接触すると、センサー間の干渉が発生するという問題がある。 その代わりに、研究者らは固体の超音波ゲルを使用した。これは漏れずに液体バージョンと同様に機能することがわかった。
「適切な材料を見つけ、全体的なレイアウトを最適化し、さまざまな電子機器をシームレスに統合する。これらの課題を克服するには多くの時間がかかった」と、Xu博士の研究室のナノエンジニアリング博士課程の学生である共同筆頭著者のMuyang Lin氏は述べている。 「我々の研究室とWang 教授の研究室の間でこの素晴らしいコラボレーションができて幸運だ。このプロジェクトで彼らと一緒に仕事をするのはとても楽しかった。」
次のステップ
チームはすでにパッチの新しいバージョンに取り組んでおり、さらに多くのセンサーが搭載されている。 「さまざまな疾患に関連する他のバイオマーカーを監視する機会がある。我々はこのデバイスにさらに臨床的価値を追加することを目指している」とSempionatto氏は述べている。
進行中の作業には、血圧センサーの電子機器の縮小も含まれる。 現在、センサーは、測定値を表示するために電源とベンチトップマシンに接続する必要がある。 最終的な目標は、これらすべてをパッチに適用し、すべてをワイヤレスにすることだ。
「我々は完全にウェアラブルな完全なシステムを作りたいと思っている」とLin氏は述べている。
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この柔らかく伸縮性のあるパッチは、装着者の血圧と生化学的レベルを同時に監視できる。(Credit: Wang lab/UC San Diego)
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