Οι άνθρωποι κάνουν τατουάζ για να θυμηθούν ένα γεγονός ή ένα άτομο, για να κάνουν μια δήλωση ή απλώς για αισθητικό κάλλος. Φανταστείτε όμως ένα τατουάζ που θα μπορούσε να είναι λειτουργικό—να σας λέει πόσο οξυγόνο χρησιμοποιείτε όταν ασκείστε, να μετράτε τα επίπεδα γλυκόζης στο αίμα σας οποιαδήποτε στιγμή της ημέρας ή να παρακολουθείτε μια σειρά από διαφορετικά συστατικά του αίματος ή την έκθεση σε περιβαλλοντικές τοξίνες. Τώρα, οι μηχανικοί στο Πανεπιστήμιο Tufts έκαναν ένα σημαντικό βήμα προς την κατεύθυνση αυτή με την εφεύρεση ενός υλικού με βάση το μετάξι που τοποθετείται κάτω από το δέρμα και λάμπει πιο φωτεινά ή πιο αμυδρά κάτω από μια λάμπα όταν εκτίθεται σε διαφορετικά επίπεδα οξυγόνου στο αίμα.
Αισθητήρες σε σχήμα τατουάζ
Ο νέος αισθητήρας, ο οποίος επί του παρόντος περιορίζεται στην ανάγνωση των επιπέδων οξυγόνου, αποτελείται από ένα τζελ που σχηματίζεται από τα πρωτεϊνικά συστατικά του μεταξιού, που ονομάζεται ινώδες. Οι πρωτεΐνες ινώδους μεταξιού έχουν μοναδικές ιδιότητες που τις καθιστούν ιδιαίτερα συμβατές ως εμφυτεύσιμο υλικό. Όταν επανασυναρμολογούνται σε φιλμ, μπορούν να προσαρμοστούν για να δημιουργήσουν μια δομή που διαρκεί κάτω από το δέρμα από μερικές εβδομάδες έως περισσότερο από ένα χρόνο.
Όταν το μετάξι διασπάται, είναι συμβατό με το σώμα και είναι απίθανο να προκαλέσει ανοσοαπόκριση. Ουσίες στο αίμα όπως η γλυκόζη, το γαλακτικό, οι ηλεκτρολύτες και το διαλυμένο οξυγόνο προσφέρουν ένα παράθυρο στην υγεία και την απόδοση του σώματος. Σε χώρους υγειονομικής περίθαλψης, παρακολουθούνται με αιμοληψία ή με προσάρτηση σε ογκώδη μηχανήματα. Η δυνατότητα συνεχούς παρακολούθησης των επιπέδων τους μη επεμβατικά σε οποιαδήποτε ρύθμιση θα μπορούσε να είναι ένα τεράστιο πλεονέκτημα κατά την παρακολούθηση ορισμένων συνθηκών. Οι διαβητικοί, για παράδειγμα, πρέπει να πάρουν αίμα για να διαβάσουν τη γλυκόζη, συχνά σε καθημερινή βάση, για να αποφασίσουν τι θα φάνε ή πότε θα πάρουν φάρμακα.
Αντίθετα, το όραμα που σχεδιάστηκε από την ομάδα των Tufts είναι να κάνει την παρακολούθηση πολύ πιο εύκολη, κυριολεκτικά ρίχνοντας φως στην κατάσταση ενός ατόμου. “Το μετάξι παρέχει μια αξιοσημείωτη συρροή πολλών σπουδαίων ιδιοτήτων”, δήλωσε ο David Kaplan, καθηγητής Μηχανικής της οικογένειας Stern στη Σχολή Μηχανικών του Πανεπιστημίου Tufts και επικεφαλής ερευνητής της μελέτης. “Μπορούμε να το διαμορφώσουμε σε μεμβράνες, σφουγγάρια, τζελ και πολλά άλλα. Όχι μόνο είναι βιοσυμβατό, αλλά μπορεί να κρατήσει πρόσθετα χωρίς να αλλάξει τη χημεία τους, και αυτά τα πρόσθετα μπορούν να έχουν ικανότητες ανίχνευσης που ανιχνεύουν μόρια στο περιβάλλον τους. Ο αισθητήρας οξυγόνου είναι μια απόδειξη ιδέας για μια σειρά αισθητήρων που θα μπορούσαμε να δημιουργήσουμε”. Η χημεία των πρωτεϊνών μεταξιού τις διευκολύνει να συλλέγουν και να συγκρατούν πρόσθετα χωρίς να αλλάζουν τις ιδιότητές τους.
Για να δημιουργήσουν τον αισθητήρα οξυγόνου, οι ερευνητές χρησιμοποίησαν ένα πρόσθετο που ονομάζεται PdBMAP, το οποίο λάμπει όταν εκτίθεται σε φως συγκεκριμένου μήκους κύματος. Αυτή η λάμψη έχει ένταση και διάρκεια ανάλογη με το επίπεδο οξυγόνου στο περιβάλλον. Το τζελ μεταξιού είναι διαπερατό από τα υγρά γύρω του, κι έτσι το PdBMAP αισθάνεται τα ίδια επίπεδα οξυγόνου στο περιβάλλον αίμα. Το PdBMAP είναι επίσης χρήσιμο επειδή λάμπει ή φωσφορίζει όταν εκτίθεται στο φως που μπορεί να διαπεράσει το δέρμα. Άλλοι υποψήφιοι αισθητήρες ενδέχεται να ανταποκρίνονται μόνο σε μήκη κύματος φωτός που δεν μπορούν να διαπεράσουν το δέρμα. Οι ερευνητές βασίζονται περισσότερο στη συνιστώσα διάρκειας του φωσφορισμού για να ποσοτικοποιήσουν τα επίπεδα οξυγόνου, επειδή η ένταση της λάμψης μπορεί να ποικίλλει ανάλογα με το βάθος και το μέγεθος του εμφυτεύματος, το χρώμα του δέρματος και άλλους παράγοντες.
Η διάρκεια της λάμψης μειώνεται καθώς αυξάνονται τα επίπεδα οξυγόνου. Σε πειράματα, ο εμφυτευμένος αισθητήρας ανίχνευσε επίπεδα οξυγόνου σε ζωικά μοντέλα σε πραγματικό χρόνο και εντόπισε με ακρίβεια υψηλά, χαμηλά και κανονικά επίπεδα οξυγόνου. Η σημασία της δυνατότητας παρακολούθησης των επιπέδων οξυγόνου στους ασθενείς έχει αυξηθεί στην ευαισθητοποίηση του κοινού με την πανδημία COVID-19, κατά την οποία οι ασθενείς έπρεπε να εισαχθούν για νοσοκομειακή περίθαλψη όταν τα επίπεδα οξυγόνου τους έγιναν εξαιρετικά χαμηλά. “Μπορούμε να οραματιστούμε πολλά σενάρια στα οποία ένας αισθητήρας που μοιάζει με τατουάζ κάτω από το δέρμα μπορεί να είναι χρήσιμος”, δήλωσε ο Tom Falcucci, μεταπτυχιακός φοιτητής στο εργαστήριο του Kaplan που ανέπτυξε τον αισθητήρα τατουάζ.
“Αυτό συμβαίνει συνήθως σε καταστάσεις όπου κάποιος με χρόνια πάθηση χρειάζεται να παρακολουθείται για μεγάλο χρονικό διάστημα εκτός ενός παραδοσιακού κλινικού περιβάλλοντος. Θα μπορούσαμε ενδεχομένως να παρακολουθήσουμε πολλά συστατικά αίματος χρησιμοποιώντας μια σειρά αισθητήρων κάτω από το δέρμα.” Οι αισθητήρες που μοιάζουν με τατουάζ είναι οι πιο πρόσφατοι σε ένα αυξανόμενο χαρτοφυλάκιο πιθανών ιατρικών προϊόντων που προέρχονται από πρωτεΐνη μεταξιού στο εργαστήριο της Kaplan, από ορθοπεδικά εμφυτεύματα έως σκαλωσιές για τη δημιουργία νέου ιστού στην καρδιά και τα οστά.