Wissenschaftler kreieren Tätowierungen

Apr 23, 2023

„Der Sauerstoffsensor ist ein Machbarkeitsnachweis für eine Reihe von Sensoren, die wir entwickeln könnten“, sagte David Kaplan. Illustration: Shutterstock

Seidenbasiertes Material unter der Haut ändert seine Farbe als Reaktion auf Sauerstoff und könnte in Zukunft angepasst werden, um Glukose und andere Blutbestandteile zu verfolgen

Menschen lassen sich tätowieren, um an ein Ereignis oder eine Person zu erinnern, um eine Aussage zu machen oder einfach als ästhetische Verzierung. Aber stellen Sie sich ein Tattoo vor, das funktional sein könnte – es zeigt Ihnen an, wie viel Sauerstoff Sie beim Training verbrauchen, misst Ihren Blutzuckerspiegel zu jeder Tageszeit oder überwacht eine Reihe verschiedener Blutbestandteile oder die Belastung durch Umweltgifte.

Jetzt haben Ingenieure der Tufts University mit der Erfindung eines Materials auf Seidenbasis, das unter die Haut gelegt wird und unter einer Lampe heller oder dunkler leuchtet, wenn es unterschiedlichen Sauerstoffwerten im Blut ausgesetzt wird, einen wichtigen Schritt in diese Richtung getan. Sie berichteten über ihre Ergebnisse in der Fachzeitschrift Advanced Functional Materials.

Der neuartige Sensor, der sich derzeit auf die Messung des Sauerstoffgehalts beschränkt, besteht aus einem Gel, das aus den Proteinbestandteilen der Seide, dem sogenannten Fibroin, gebildet wird. Die Seidenfibroinproteine ​​verfügen über einzigartige Eigenschaften, die sie als implantierbares Material besonders kompatibel machen.

Wenn sie wieder zu einem Gel oder Film zusammengesetzt werden, können sie so angepasst werden, dass eine Struktur entsteht, die unter der Haut einige Wochen bis über ein Jahr hält. Wenn die Seide zerfällt, ist sie mit dem Körper verträglich und löst wahrscheinlich keine Immunreaktion aus.

Die kleine Scheibe eines Seidenfilm-Sauerstoffsensors leuchtet violett, wenn sie UV-Licht und Sauerstoff ausgesetzt wird. Ein Detektor kann den Sauerstoffgehalt anhand der Helligkeit und Dauer des violetten Leuchtens bestimmen. Rechte Seite: Direkter Vergleich von normalem und UV-exponiertem Seidensensormaterial. Bild: Thomas Falcucci/Tufts University

Substanzen im Blut wie Glukose, Laktat, Elektrolyte und gelöster Sauerstoff bieten einen Einblick in die Gesundheit und Leistungsfähigkeit des Körpers. Im Gesundheitswesen werden sie durch Blutabnahmen oder durch die Anbindung von Patienten an sperrige Geräte verfolgt. Die Möglichkeit, ihre Werte kontinuierlich und nichtinvasiv in jeder Umgebung zu überwachen, könnte bei der Verfolgung bestimmter Bedingungen von enormem Vorteil sein.

Diabetiker beispielsweise müssen häufig täglich Blut abnehmen, um ihren Glukosespiegel zu messen, um zu entscheiden, was sie essen oder wann sie Medikamente einnehmen. Im Gegensatz dazu besteht die Vision des Tufts-Teams darin, die Überwachung viel einfacher zu machen, indem im wahrsten Sinne des Wortes der Zustand einer Person beleuchtet wird.

„Seide bietet eine bemerkenswerte Kombination vieler großartiger Eigenschaften“, sagte David Kaplan, Stern Family Professor für Ingenieurwissenschaften an der School of Engineering und leitender Forscher der Studie. „Wir können daraus Filme, Schwämme, Gele und mehr formen. Es ist nicht nur biokompatibel, sondern kann auch Zusatzstoffe aufnehmen, ohne ihre Chemie zu verändern, und diese Zusatzstoffe können über Sensorfunktionen verfügen, die Moleküle in ihrer Umgebung erkennen. Der Sauerstoffsensor ist ein Beweis.“ des Konzepts für eine Reihe von Sensoren, die wir entwickeln könnten.

Die Chemie der Seidenproteine ​​erleichtert ihnen die Aufnahme und Speicherung von Zusatzstoffen, ohne deren Eigenschaften zu verändern. Zur Herstellung des Sauerstoffsensors verwendeten die Forscher einen Zusatzstoff namens PdBMAP, der leuchtet, wenn er Licht einer bestimmten Wellenlänge ausgesetzt wird. Die Intensität und Dauer dieses Leuchtens ist proportional zum Sauerstoffgehalt der Umgebung.

Das Seidengel ist für die Flüssigkeiten um es herum durchlässig, sodass das PdBMAP die gleichen Sauerstoffwerte im umgebenden Blut „sieht“. PdBMAP ist auch deshalb nützlich, weil es leuchtet oder phosphoresziert, wenn es Licht ausgesetzt wird, das die Haut durchdringen kann. Andere Sensorkandidaten reagieren möglicherweise nur auf Lichtwellenlängen, die die Haut nicht durchdringen können.

Um den Sauerstoffgehalt zu quantifizieren, verlassen sich die Forscher eher auf die „Dauer“-Komponente der Phosphoreszenz, da die Intensität des Leuchtens je nach Tiefe und Größe des Implantats, Hautfarbe und anderen Faktoren variieren kann. Die Dauer des Glühens nimmt mit steigendem Sauerstoffgehalt ab.

In Experimenten erfasste der implantierte Sensor den Sauerstoffgehalt in Tiermodellen in Echtzeit und verfolgte präzise hohe, niedrige und normale Sauerstoffwerte. Die Bedeutung der Möglichkeit, den Sauerstoffgehalt von Patienten zu verfolgen, ist mit der COVID-19-Pandemie in das öffentliche Bewusstsein gerückt, da Patienten zur Krankenhausbehandlung eingeliefert werden mussten, wenn ihr Sauerstoffgehalt kritisch absinkte.

„Wir können uns viele Szenarien vorstellen, in denen ein tätowierungsähnlicher Sensor unter der Haut nützlich sein kann“, sagte Thomas Falcucci, ein Doktorand in Kaplans Labor, der den Tätowierungssensor entwickelt hat. „Das ist normalerweise der Fall, wenn jemand mit einer chronischen Erkrankung über einen längeren Zeitraum außerhalb eines herkömmlichen klinischen Umfelds überwacht werden muss. Mithilfe eines Sensorarrays unter der Haut könnten wir möglicherweise mehrere Blutbestandteile verfolgen.“

Die tätowierungsähnlichen Sensoren sind die neuesten in einem wachsenden Portfolio potenzieller medizinischer Produkte, die in Kaplans Labor aus Seidenprotein gewonnen werden, von orthopädischen Implantaten bis hin zu Gerüsten für die Bildung von neuem Gewebe im Herzen und in den Knochen.

Mike Silver kann unter [email protected] erreicht werden.