Elektronika elastyczna.

Przyszłość m.in. diagnostyki medycznej

OD REDAKCJI: Technologia coraz bardziej zmienia rzeczywistość. Nowe rozwiązania wchodzą w relacje między ludźmi sprawiając, że zmuszeni jesteśmy do przeformotowania własnych obrazów świata. Inteligentna technologia zaczyna również sprawiać, że ludzie muszą zacząć inaczej myśleć o samych sobie. Urządzenia elektroniczne już wkrótce mogą stać się częścią nas samych.

Kiedy myślimy o urządzeniach elektronicznych, nie kojarzymy ich z możliwością wyginania czy rolowania, ale to się może wkrótce zmienić – przekonują Jakub KACZMARSKI i Michał BORYSIEWICZ.

.Elektronika elastyczna przebija się do świadomości coraz szerszego kręgu odbiorców wraz z dostępnością nowych produktów i opracowywaniem coraz śmielszych projektów zwłaszcza dla internetu rzeczy (Internet of Things, IoT) czy elektroniki ubieralnej (wearables). Wedle tych koncepcji przedmioty codziennego użytku są wzbogacone o obwody elektroniczne umożliwiające gromadzenie, przetwarzanie, magazynowanie i przekazywanie informacji dotyczących otoczenia oraz użytkownika w celu zapewnienia wyższego komfortu życia. Tak przynajmniej ma być w teorii.

Pierwsza generacja urządzeń IoT wykorzystuje klasyczne technologie elektroniczne do realizacji nowych funkcji, np. czujniki w telefonie, zegarku czy opasce treningowej do monitorowania położenia i wysiłku biegacza. Elastyczność produktu jest w tym przypadku możliwa dzięki giętkim elementom konstrukcyjnym, podczas gdy układy elektroniczne pozostają sztywne i muszą być umieszczone w miejscach nienarażonych na zginanie. Podobnie jak w branży samochodów elektrycznych – gdzie pierwszy model samochodu Tesla, integrując konwencjonalne rozwiązania, spowodował lawinowy wzrost zainteresowania elektromobilnością, co przyspieszyło rozwój badań w obszarze nowych materiałów i technologii – w branży IoT i wearables kolejne generacje urządzeń charakteryzują się nowymi rozwiązaniami w zakresie materiałów projektowanych z myślą o konkretnych zastosowaniach.

Prowadzone są intensywne prace nad materiałami giętkimi dla elektroniki, zachowującymi swoje własności funkcjonalne niezależnie od odkształcenia. Kryształy krzemu obecnie najpowszechniej wykorzystywane w konstrukcji urządzeń elektronicznych będą sukcesywnie zastępowane m.in. amorficznymi półprzewodnikami tlenkowymi, perowskitami czy materiałami organicznymi. Opracowanie takich technologii pozwoli na integrację elektroniki funkcjonalnej z ubraniami, opakowaniami, plastrami do zastosowań medycznych i kosmetycznych, urządzeniami do pozyskiwania i magazynowania energii, urządzeniami rozszerzonej rzeczywistości, inteligentnymi oknami i lustrami czy materiałami drukowanymi.

Polscy badacze są w awangardzie opracowywania technologii dla elektroniki elastycznej.

Konkrety: nie tak dawno Saule Technologies zademonstrowała giętkie ogniwa fotowoltaiczne o wysokiej sprawności, które mogą być integrowane z przedmiotami o dowolnych kształtach, zaś XTPL SA opracowuje technologię cienkich, przezroczystych, przewodzących materiałów, mogących znaleźć zastosowanie jako elementy pasywne urządzeń i układów elektronicznych. W Instytucie Technologii Elektronowej opracowywane są nowe materiały, urządzenia i układy, które będą mogły być wykorzystywane w elastycznych czujnikach biochemicznych diagnostyki osobistej.

Motywacją do prowadzenia tych prac są nieustannie rosnąca rola badań w obszarze profilaktyki i leczenia chorób cywilizacyjnych, a także dane Światowej Organizacji Zdrowia (Global status report on noncommunicable diseases 2014) oraz Ministerstwa Nauki i Szkolnictwa Wyższego, które określa choroby cywilizacyjne jako największe zagrożenie zdrowotne dla populacji Polski w perspektywie najbliższych lat. Postęp wiedzy, który obserwuje się w ostatnim czasie, umożliwia poznanie przyczyn chorób cywilizacyjnych, identyfikowanie grup wysokiego ryzyka i właściwe ukierunkowanie interwencji o charakterze populacyjnym, a także wcześniejsze wykrywanie tych chorób, co umożliwia ich skuteczniejsze leczenie.

O jakości diagnostycznej danej metody decydują nie tylko sposób uzyskania materiału czy zastosowana aparatura. Jednymi z najistotniejszych aspektów diagnostyki są czas i odpowiednie postępowanie od momentu pobrania materiału aż do wykonania oznaczenia. Mnogość procedur klinicznych, a także konieczność podejmowania szybkich decyzji terapeutycznych kreują potrzebę skrócenia czasu oczekiwania na wyniki badań laboratoryjnych, które w idealnym przypadku powinny być dostępne natychmiast. Mając na uwadze fakt, że obecnie pełne wykonanie badania wiąże się z odpowiednim przygotowaniem pacjenta, pobraniem materiału, transportem materiału do laboratorium, procedurami rejestracyjnymi, wreszcie wykonaniem analizy i poanalitycznym sporządzeniem dokumentacji, niejednokrotnie nie jest możliwe zapewnienie odpowiednio krótkiego czasu od rozpoczęcia procedury do otrzymania wyników przez lekarza.

Najefektywniejszym sposobem skrócenia czasu procedury diagnostyki analitycznej i otrzymania wyników w czasie rzeczywistym jest jej wykonanie w miejscu opieki nad pacjentem. Badania te określane są terminem testów POC (ang. point-of-care) i mogą znaleźć zastosowanie w takich gałęziach medycyny, jak: endokrynologia (określenie poziomu glukozy, cholesterolu bądź hormonów), genetyka (terapia przeciwpłytkowa), hematologia (badania krwi), nefrologia (badania moczu), pulmonologia (spirometria), położnictwo (testy owulacyjne), diagnostyka HIV/AIDS (oznaczanie liczby limfocytów CD4) itp.

Opracowanie platformy czujników biochemicznych na giętkich podłożach, docelowo w formie plastrów przyklejanych na skórę, przyczyni się do poprawy diagnostyki i jest głównym celem naszych prac.

Funkcjonalność platformy jest weryfikowana w oparciu o projekt zintegrowanego autonomicznego systemu telemedycznego do nieinwazyjnej diagnostyki POC. Celem naszego projektu jest więc zademonstrowanie nieinwazyjnego czujnika do oznaczania poziomu glukozy w płynach ustrojowych, w tym w pocie, ślinie i łzach, wykonanego w formie plastra przyklejanego na skórę. Istotną wartością dodaną tego rozwiązania jest to, że dzięki bezprzewodowej transmisji w technologii Bluetooth wyniki pomiaru mogą być zapisane w pamięci smartfonu lub tabletu i odczytane retrospektywnie przez lekarza lub wyświetlane w czasie rzeczywistym na ekranie.

.Ostrożne prognozy WHO zakładają podwojenie liczby diabetyków do 2020 roku w stosunku do stanu z lat 90. W Polsce liczba chorych na cukrzycę w 2011 r. wynosiła 3,057 mln (6,9%), a zgodnie z prognozą IDF w 2030 r. wzrośnie do 3,409 mln (12,5%). Chorzy na cukrzycę wymagają stałego monitorowania, dzięki któremu oprócz stężenia cukru mogą zaplanować codzienną dietę. Codzienne badania i testy wykorzystujące konwencjonalne glukometry są inwazyjne, uciążliwe dla pacjenta i wymagają prowadzenia szczegółowego rejestru wyników pomiarów w celu konsultacji z lekarzem. Ponadto koszt takich testów paskowych jest duży, wymaga precyzji wykonania, odczytu w odpowiednim czasie oraz przechowywania pasków w szczelnych pojemnikach. Dostarczenie nieinwazyjnych systemów diagnostycznych umożliwiających bezprzewodową komunikację z urządzeniami mobilnymi w znacznym stopniu przyczyni się do podniesienia jakości i skuteczności leczenia.

Jakub Kaczmarski
Michał Borysiewicz