"Количество и расположение гемоглобина в организме предоставляют важную информацию о перфузии крови или ее накоплении в определенных местах. Наше устройство демонстрирует большой потенциал в тщательном мониторинге групп высокого риска, позволяя своевременно вмешиваться в неотложные моменты", - сказал Шэн Сюй, профессор наноинженерии Калифорнийского университета в Сан-Диего и автор-корреспондент исследования.

Статья "Фотоакустический патч для трехмерной визуализации гемоглобина и температуры ядра" опубликована в выпуске журнала от 15 декабря 2022 года. Сообщения о природе.

Низкая перфузия крови внутри организма может вызвать серьезные нарушения функций органов и связана с целым рядом заболеваний, включая сердечные приступы и сосудистые заболевания конечностей. В то же время аномальное скопление крови в таких областях, как мозг, брюшная полость или кисты, может указывать на церебральное или висцеральное кровоизлияние или злокачественные опухоли. Непрерывный мониторинг может помочь в диагностике этих состояний и способствовать своевременным и потенциально спасающим жизнь вмешательствам.

Новый датчик преодолевает некоторые существенные ограничения существующих методов мониторинга биомолекул. Магнитно-резонансная томография (МРТ) и рентгеновская компьютерная томография основаны на громоздком оборудовании, которое бывает трудно приобрести, и обычно предоставляют информацию только о непосредственном статусе молекулы, что делает их непригодными для долгосрочного мониторинга биомолекул.

"Непрерывный мониторинг имеет решающее значение для своевременного вмешательства, чтобы предотвратить быстрое ухудшение опасных для жизни состояний", - сказал Сянцзюнь Чен, аспирант по наноинженерии в группе Сюй и соавтор исследования. "Носимые устройства, основанные на электрохимии для обнаружения биомолекул, не ограничиваясь гемоглобином, являются хорошими кандидатами для долгосрочного носимого мониторинга. Однако существующие технологии обеспечивают возможность обнаружения только на поверхности кожи".

Новый гибкий носимый пластырь низкого форм-фактора удобно прикрепляется к коже, обеспечивая неинвазивный долгосрочный мониторинг. Он может выполнять трехмерное картирование гемоглобина с субмиллиметровым пространственным разрешением в глубоких тканях, вплоть до сантиметров под кожей, по сравнению с другими носимыми электрохимическими устройствами, которые воспринимают биомолекулы только на поверхности кожи. Он может обеспечить высокий контраст с другими тканями. Благодаря своей оптической селективности он может расширить диапазон обнаруживаемых молекул, интегрируя различные лазерные диоды с различными длинами волн, наряду с его потенциальным клиническим применением.

Пластырь оснащен массивами лазерных диодов и пьезоэлектрических преобразователей в мягкой силиконовой полимерной матрице. Лазерные диоды излучают импульсные лазеры в ткани. Биомолекулы в ткани поглощают оптическую энергию и излучают акустические волны в окружающую среду.

"Пьезоэлектрические преобразователи принимают акустические волны, которые обрабатываются в электрической системе для восстановления пространственного отображения биомолекул, излучающих волны", - сказал Сяосян Гао, аспирант лаборатории Сюя и соавтор исследования.

"Благодаря маломощным лазерным импульсам это также намного безопаснее, чем рентгеновские методы с ионизирующим излучением", - сказал Хунцзе Ху, постдокторский исследователь в группе Сюй и соавтор исследования.

Основываясь на достигнутом успехе, команда планирует дальнейшее развитие устройства, в том числе сокращение внутренней системы управления до портативного устройства для управления лазерными диодами и сбора данных, что значительно расширит его гибкость и потенциальную клиническую полезность.

Они также планируют изучить потенциал носимого устройства для мониторинга температуры ядра. "Поскольку амплитуда фотоакустического сигнала пропорциональна температуре, мы продемонстрировали мониторинг температуры ядра в экспериментах ex-vivo", - сказал Сюй. "Однако для подтверждения контроля температуры ядра на человеческом теле требуется интервенционная калибровка".

Они продолжают работать с врачами, чтобы найти больше потенциальных клинических применений.

Работа была частично поддержана Исследовательской лабораторией ВВС в соответствии с соглашением № FA8650-18-2-5402 , и гранты Национальных институтов здравоохранения 1R21EB025521-01 (S.X.), 1R21EB027303-01A1 (S.X.) и 3R21EB027303-02S1 (S.X.).