دانشمندان حسگرهایی شبیه خالکوبی ساخته اند که سطح اکسیژن خون را نشان می دهد

مردم خالکوبی می کنند تا یک رویداد یا یک شخص را به یاد بیاورند، برای بیان یک بیانیه یا صرفاً به عنوان یک تزیین زیبایی شناختی. اما خالکوبی را تصور کنید که می‌تواند کاربردی باشد – به شما بگوید هنگام ورزش چقدر اکسیژن مصرف می‌کنید، سطح گلوکز خونتان را در هر زمانی از روز اندازه‌گیری کنید، یا تعدادی از اجزای مختلف خون را زیر نظر بگیرید یا در معرض سموم محیطی قرار بگیرید.

اکنون مهندسان دانشگاه تافتس با اختراع ماده‌ای بر پایه ابریشم که در زیر پوست قرار داده می‌شود، گام مهمی برای تحقق این امر برداشته‌اند که وقتی در معرض سطوح مختلف اکسیژن در خون قرار می‌گیرد، در زیر لامپ روشن‌تر یا کم‌نورتر می‌شود. آنها یافته های خود را در گزارش کردند مواد کاربردی پیشرفته.

حسگر جدید که در حال حاضر محدود به خواندن سطوح اکسیژن است، از ژلی تشکیل شده است که از اجزای پروتئینی ابریشم به نام فیبروئین تشکیل شده است. پروتئین های فیبروئین ابریشم دارای خواص منحصر به فردی هستند که آنها را به ویژه به عنوان یک ماده قابل کاشت سازگار می کند.

هنگامی که آنها دوباره به یک ژل یا فیلم مونتاژ می شوند، می توان آنها را برای ایجاد ساختاری تنظیم کرد که از چند هفته تا بیش از یک سال در زیر پوست دوام می آورد. هنگامی که ابریشم تجزیه می شود، با بدن سازگار است و بعید است که پاسخ ایمنی ایجاد کند.

مواد موجود در خون مانند گلوکز، لاکتات، الکترولیت ها و اکسیژن محلول پنجره ای به سلامت و عملکرد بدن می دهند. در محیط‌های مراقبت‌های بهداشتی، آنها با خون‌گیری یا اتصال به دستگاه‌های حجیم ردیابی می‌شوند. توانایی نظارت مستمر سطوح آنها به صورت غیرتهاجمی در هر محیطی می تواند یک مزیت فوق العاده در هنگام ردیابی شرایط خاص باشد.

به عنوان مثال، بیماران دیابتی باید برای خواندن گلوکز خون، اغلب به صورت روزانه، تصمیم بگیرند که چه بخورند یا چه زمانی دارو مصرف کنند. در مقابل، چشم انداز ترسیم شده توسط تیم Tufts این است که نظارت را بسیار آسان تر کند، به معنای واقعی کلمه با تابش نور بر وضعیت یک فرد.

دیوید کاپلان، استاد مهندسی خانواده استرن در دانشکده مهندسی دانشگاه تافتس و محقق اصلی این مطالعه گفت: «ابریشم ترکیب قابل توجهی از بسیاری از خواص عالی را فراهم می کند. ما می‌توانیم آن را به صورت فیلم، اسفنج، ژل و موارد دیگر درآوریم. نه تنها زیست سازگار است، بلکه می‌تواند مواد افزودنی را بدون تغییر ساختار شیمیایی آنها در خود نگه دارد، و این افزودنی‌ها می‌توانند قابلیت‌های سنجشی داشته باشند که مولکول‌ها را در محیط خود تشخیص می‌دهند. حسگر اکسیژن یک اثبات است. مفهومی برای طیف وسیعی از حسگرهایی که می‌توانیم ایجاد کنیم.”

شیمی پروتئین‌های ابریشم باعث می‌شود که آن‌ها بتوانند مواد افزودنی را بدون تغییر در خواص آن‌ها، راحت‌تر جذب و نگهداری کنند. برای ایجاد حسگر اکسیژن، محققان از افزودنی به نام PdBMAP استفاده کردند که وقتی در معرض نور با طول موج مشخصی قرار می گیرد می درخشد. این درخشش دارای شدت و مدت زمان متناسب با سطح اکسیژن محیط است.

ژل ابریشم به مایعات اطراف خود نفوذپذیر است، بنابراین PdBMAP همان سطوح اکسیژن را در خون اطراف حس می کند. PdBMAP همچنین مفید است زیرا در معرض نوری که می تواند به پوست نفوذ کند، می درخشد یا فسفر می کند. سایر سنسورهای کاندید ممکن است فقط به طول موج های نوری که نمی توانند به پوست نفوذ کنند پاسخ دهند.

محققان برای تعیین کمیت سطح اکسیژن بیشتر بر مؤلفه مدت فسفرسانس تکیه می کنند زیرا شدت درخشش می تواند با عمق و اندازه ایمپلنت، رنگ پوست و سایر عوامل متفاوت باشد. با افزایش سطح اکسیژن، مدت درخشش کاهش می یابد.

در آزمایش‌ها، حسگر کاشته‌شده سطوح اکسیژن را در مدل‌های حیوانی در زمان واقعی تشخیص داد و سطوح بالا، پایین و طبیعی اکسیژن را با دقت ردیابی کرد. اهمیت توانایی ردیابی سطح اکسیژن در بیماران در آگاهی عمومی با همه‌گیری COVID-19 افزایش یافته است، که در آن بیماران باید برای درمان در بیمارستان بستری می‌شدند که سطح اکسیژن آنها به شدت پایین می‌آمد.

تام فالکوچی، دانشجوی فارغ التحصیل در آزمایشگاه کاپلان که حسگر خالکوبی را توسعه داده است، می‌گوید: «ما می‌توانیم سناریوهای زیادی را تصور کنیم که در آن یک حسگر خالکوبی مانند زیر پوست می‌تواند مفید باشد. این معمولاً در شرایطی است که فرد مبتلا به یک بیماری مزمن نیاز به نظارت طولانی مدت خارج از یک محیط بالینی سنتی دارد.

حسگرهای خالکوبی جدیدترین در مجموعه رو به رشد محصولات پزشکی بالقوه مشتق شده از پروتئین ابریشم در آزمایشگاه کاپلان هستند، از ایمپلنت های ارتوپدی تا داربست برای ایجاد بافت جدید در قلب و استخوان.