Bioelektronika o zdrowiu ci powie. A nawet o nie zadba

Wyobraźmy sobie, że budzimy się – dajmy na to – za 10–15 lat. Telefon ma już gotowy pełen wykresów i wskazówek raport o jakości naszego snu. Wychodzimy pobiegać (lub na inny trening sportowy). Aplikacja w telefonie raportuje o tym, jak duży dystans przebiegliśmy, ile kalorii spaliliśmy i jak wyglądał nasz wykres EKG. Równocześnie analiza potu daje pełen przegląd poziomu metabolitów, hormonów i biomarkerów, a także opis kondycji i stanu zdrowia. Dane fizjologiczne mogą być wysyłane na bieżąco naszemu lekarzowi. Przy tym wszystkie opisane powyżej funkcje są pełnione przez systemy bioelektroniki – cienkich jak arkusz folii plasterków, dyskretnie przyklejonych do naszego ciała, tak że nawet nie czujemy ich na sobie. Nie musimy więc czekać na wizyty i badania, bo sami jesteśmy własnym laboratorium. Nie musimy pamiętać o przyjmowaniu leków (czy to witamin, czy leków na przewlekłe schorzenia), bo same będą się dozować, stosownie do potrzeby. Nie musimy myśleć o stanie baterii urządzeń, ponieważ ładują się same.

Taką wizję roztaczają przed nami autorzy fantastyki naukowej – ale wielu naukowców zgodziłoby się, że nie odbiegają już zbyt daleko od prawdy. Bioelektronika, biosensory, elektronika ubieralna, elektronika cienkowarstwowa – nie ma tygodnia, żeby te terminy nie padły w nowej publikacji naukowej.

Start w smartfonie

Kiedy na rynku pojawiły się telefony dotykowe, bardzo szybko przekonaliśmy się, że są czymś znacznie więcej niż telefonem mobilnym. Kiedy parę lat później dostaliśmy smartwatche, było już oczywiste, że nie są tylko zegarkami – zaoferowały nawet więcej funkcji niż smartfony. Szybko zainteresowały sportowców i osoby aktywne fizycznie. Poza modnymi krokomierzami zegarki wyposażano w moduły takie jak pulsoksymetr, akcelerometr, termometr, ciśnieniomierz. Jaka jest jakość tych pomiarów z zegarka – to temat na osobny tekst. Dzisiaj skupimy się raczej na tym, co może przynieść przyszłość. A przyniesie dalszą miniaturyzację.

Już teraz na rynku są dostępne mniejsze niż smartwatche, mniej energożerne urządzenia, jak choćby smart-ringi – wypakowane elektroniką pierścienie. Na scenę wchodzi jednak elektronika cienkowarstwowa, zwana też elektroniką 2D – efekt techniki wytwarzania układów elektronicznych na dużej powierzchni, ale cienkich jak kartka. Nie ma w tym nic kosmicznego – jej przykładem są choćby obecne na rynku wyświetlacze OLED oraz często omawiane w mediach (zwłaszcza polskich) ogniwa perowskitowe. Jest to jednak zaledwie mały wycinek potencjału, jaki w tej technologii drzemie.

Kiedy w nanotechnologii używa się sformułowania „cienkie warstwy” (lub „filmy”), zwykle oznacza to coś naprawdę cienkiego: od kilku mikrometrów aż do monowarstw – czyli warstw o grubości 1 atomu, ewentualnie jednej cząsteczki (przeciętna kartka ma grubość 50 μm lub więcej). Techniki wytwarzania takich struktur obejmują m.in. elektrodepozycję, litografię, napylanie i najbardziej atrakcyjne: drukowanie, czyli dosłownie wylewanie płynu na docelową powierzchnię za pomocą dyszy, tak jak w zwykłej drukarce (lub przez szablon, jak w sitodruku). Precyzyjne łączenie ze sobą różnych warstw, o różnych parametrach, pozwala na względnie łatwą i szybką produkcję całych układów elektronicznych o powierzchni rzędu centymetrów kwadratowych.

Plastry mają moment

To właśnie dzięki elektronice 2D możliwe jest wytwarzanie układów mikro elektronicznych, które przylegają do ciała w sposób niewywołujący dyskomfortu (a skóra stanowi idealny interfejs diagnostyczny). Dzięki nim możemy zbadać wiele parametrów z większą dokładnością niż za pomocą zegarka czy pierścionka. Zespoły z całego świata wytwarzają plastry do analizowania składu potu, do pomiarów tętna i temperatury, do pomiaru naprężeń na klatce piersiowej podczas oddychania. Donoszą o plastrach dozujących leki, dzięki zastosowaniu mikroigieł (o długości poniżej 1 mm).

W 2023 r. w czasopiśmie „ACS Sensors” opisano tego rodzaju urządzenie, na bieżąco analizujące stężenie w organizmie leku o nazwie metotreksat. Działa przeciwnowotworowo, ale również przeciwko zapaleniu stawów i kilku innym schorzeniom. W dużych stężeniach może być jednak toksyczny, dlatego ważne jest odpowiednie dawkowanie. Kiedy więc sensor wykryje zbyt niskie stężenie, pompa jonowa dozuje, przez mikroigły, odpowiednią ilość leku do skóry. Podobne systemy są testowane pod kątem wykrywania poziomu glukozy i uwalniania insuliny. Ponieważ elektrody i ścieżki przewodzące mogą mieć grubość zaledwie kilkudziesięciu nanometrów, więc w takim bioelektronicznym plastrze można upakować naprawdę wiele ciekawych systemów.

Podobnie jak smart-ring, urządzenia te byłyby pozbawione interaktywnego ekranu pobierającego mnóstwo prądu. Dane mogą wysyłać bezprzewodowo, za pomocą anteny radiowej, BlueTooth lub Li-Fi. Testowano różne sposoby komunikacji, w których zasięg transmisji wynosił nawet kilkadziesiąt kilometrów. Testowano też możliwość transmisji danych na chmurę, co eliminuje wszelkie dylematy związane z zasięgiem.

Ubrania się ładują

Elektronikę 2D można zasilać termo- lub piezoelektrycznie. Pierwsza metoda polega na generowaniu energii elektrycznej z ciepła ciała, a ściślej rzecz ujmując, z różnicy między ciepłem ciała a temperaturą otoczenia. Druga – z naprężeń, jakie powstają podczas codziennego ruchu mięśni, lub nawet – z naprężeń wywołanych pulsem albo oddechem. Możliwe są też inne rozwiązania, choćby oparty na NFC bezprzewodowy transfer energii z np. smartfona. Takie rozwiązanie zostało już 5 lat temu opisane w „Nature Communications”. Bardziej fantazyjne propozycje mówią o energii elektrycznej z rozkładu potu lub nawet wykorzystanie fotowoltaiki – wplecionej w specjalne włókna. Wtedy sam ubiór stanowiłby małą elektrownię.

Cała ta zaawansowana medycyna osobista i personalne laboratoria biomedyczne byłyby nie tylko przełomem w opiece zdrowotnej, ale też ogromnym wsparciem dla takich służb jak wojsko czy straż pożarna – tam, gdzie szybki czas reakcji jest szczególnie ważny. Rodzi to jednak wiele pytań natury etycznej i prawnej o ochronę danych biometrycznych – ale to osobny temat.

Zakres zastosowań elektroniki 2D sięga znacznie dalej niż monitorowanie naszej fizjologii. Eksperymentuje się nad systemami nie tylko „czującymi”, ale też „stymulującymi” naszą motorykę – dla celów rehabilitacyjnych, ale również wojskowych. Pojawiają się też doniesienia o systemach sterowania dronów i innych rodzajów robotów, które poprzez elektrostymulację mięśni dają wrażenie dotyku lub oporu. A także o zupełnie przyziemnych, rozrywkowych zastosowaniach – w rękawicach lub skafandrach do VR, które będą naprawdę dawały wrażenie „dotyku”. Świat powszechnie dostępnej bioelektroniki może być już naprawdę blisko.