Жидкие чернила позволяют печатать электроды на коже головы для мониторинга мозговой активности

Американские ученые изобрели биосовместимые жидкие чернила, которые врачи могут наносить в виде татуировок на кожу головы пациента для измерения мозговой активности. Технология, представленная  в журнале Cell Biomaterials, предлагает многообещающую альтернативу традиционному процессу, используемому  для мониторинга мозговых волн и диагностики неврологических заболеваний, который часто требует использования проводных датчиков и занимает много времени.

Уникальность новинки заключается в том, что временные татуировки из нового материала и могут «проникать» через волосы, создавая тонкую сенсорную пленку, способную регистрировать сигналы мозга.

«Наши инновации в конструкции датчиков, биосовместимых чернил и высокоскоростной печати прокладывают путь к будущему производству электронных датчиков в виде татуировки на теле с широким применением как в клинических условиях, так и за их пределами», - говорит одна из авторов изобретения Наньшу Лу из Техасского университета в Остине.

Лу и ее команда стали пионерами в разработке небольших датчиков, которые отслеживают телесные сигналы с поверхности кожи человека, - технология, известная как электронные татуировки, или e-tattoos. Ученые нанесли электронные татуировки на грудь, чтобы измерить сердечную деятельность, на мышцы, чтобы измерить степень утомления, и даже под мышками, чтобы измерить компоненты пота.

В прошлом электронные татуировки обычно наносились на тонкий слой клейкого материала перед нанесением на кожу, но это было эффективно только на безволосых участках.

«Разработка материалов, совместимых с волосистой поверхностью кожи, была постоянной проблемой в технологии электронных татуировок», - отмечает Лу. Чтобы преодолеть это, команда разработала тип жидких чернил, изготовленных из проводящих полимеров. Чернила могут проникать через волосы, достигая кожи головы, и после высыхания работают как тонкопленочный датчик, улавливающий мозговую активность через кожу головы.

Для нанесения краски используется цифровой струйный принтер, который наносит сенсоры на кожу головы пациента, минуя контактные провода и обеспечивая комфорт в процессе диагностики. Исследования показали, что жидкие татуировки могут работать не хуже традиционных ЭЭГ-электродов, но при этом они сохраняют стабильную работу в течение более 24 часов, в отличие от стандартных сенсоров, которые начинают терять связь с кожей спустя несколько часов.

По словам исследователей, этот процесс быстрый, не требует контакта и не вызывает дискомфорта у пациентов.

Команда нанесла электроды e-tattoo на кожу головы пяти участников с короткими волосами. Они также прикрепили обычные электроды ЭЭГ рядом с электронными татуировками. Команда обнаружила, что электронные татуировки сравнительно хорошо улавливали мозговые волны с минимальным уровнем шума.

Через шесть часов гель на обычных электродах начал высыхать. Более трети этих электродов не смогли уловить никакого сигнала, хотя большинство оставшихся электродов имели меньший контакт с кожей, что привело к менее точному обнаружению сигнала. Электроды e-tattoo, с другой стороны, демонстрировали стабильное подключение в течение как минимум 24 часов.

Кроме того, исследователи изменили формулу чернил и напечатали линии электронной татуировки, которые спускаются от электродов к основанию головы, чтобы заменить провода, используемые в стандартном тесте ЭЭГ. «Эта настройка позволила напечатанным проводам передавать сигналы, не улавливая по пути новые сигналы», - говорит соавтор исследования Симинь Хэ из Калифорнийского университета в Лос-Анджелесе.

Затем ученые прикрепили гораздо более короткие физические провода между татуировками к небольшому устройству, которое собирает данные о мозговых волнах. Исследователи заявили, что в будущем они планируют встроить беспроводные передатчики данных в электронные татуировки, чтобы добиться полностью беспроводного процесса ЭЭГ.

«Наше исследование потенциально может произвести революцию в разработке устройств с неинвазивным интерфейсом мозг-компьютер», - говорит соавтор Хосе Миллан из Техасского университета в Остине. Устройства интерфейса мозг-компьютер работают путем записи активности мозга, связанной с определенной функцией, такой как речь или движение, и их используют для управления внешним устройством без необходимости двигать мышцами. В настоящее время эти устройства часто включают в себя большую гарнитуру, которая громоздка и неудобна в использовании. По словам Миллана, электронные татуировки потенциально могут заменить внешнее устройство и печатать электронику непосредственно на голове пациента, делая технологию взаимодействия мозга и компьютера более доступной. 

Марина КЫН