3D プリント + ナノテクノロジーで、ウェアラブルデバイス用の柔軟で耐久性のあるゴム製グラフェンセンサーを開発

出典: Qianzhan.com

研究者たちは、3Dプリンティングとナノテクノロジーを利用して、バイタルサインの監視から運動パフォーマンスの追跡まで、あらゆる用途に使用できる、耐久性と柔軟性に優れたウェアラブルデバイス用センサーを開発しました。ウォータールー大学のエンジニアらが開発したこの新技術は、シリコンゴムと極薄グラフェン層を組み合わせて、リストバンドやランニングシューズのインソールの製造に最適な新素材を作り出す。

ゴム素材が曲がったり動いたりすると、人工的に作られたハニカム構造に埋め込まれた高導電性ナノスケールグラフェンによって電気信号が生成されます。「シリコンはバイオモニタリング用途に必要な柔軟性と耐久性を提供し、グラフェンを組み込むことで効果的なセンサーになります」と、ウォータールー大学のマルチスケール・アディティブ・マニュファクチャリング（MSAM）研究所の研究ディレクター、エフサン・トイセルカニ氏は語る。「すべてが1つの部品に詰まっています。」
画像提供: ウォータールー大学
このような複雑な内部特徴を持つシリコンゴム構造の作成は、付加製造とも呼ばれる最先端の 3D 印刷技術を使用した装置とプロセスを使用することでのみ可能になります。
このゴムグラフェン素材は、導電性が高いだけでなく、柔軟性と耐久性も非常に優れています。「この装置は、極端な温度や湿度など、最も過酷な環境でも使用できる」と、ウォータールー大学の工学博士課程の学生で、このプロジェクトのリーダーであるエルハム・ダブディ氏は語った。「衣類と一緒に洗うこともできます。」

この素材と 3D プリントプロセスにより、カスタムメイドのデバイスをユーザーの体型にぴったりフィットさせることができるほか、既存のウェアラブルデバイスに比べて快適性が向上し、シンプルさにより製造コストも削減されます。

機械・メカトロニクス工学教授のトイセルカニ氏は、ゴム状のグラフェンセンサーを電子機器と組み合わせることで、心拍数や呼吸数を記録したり、アスリートが走るときに発揮する力を記録したり、医師が患者を遠隔監視できるようにするなど、さまざまな用途に使えるウェアラブルデバイスを開発できると語った。

このプロジェクトには、カリフォルニア大学ロサンゼルス校とブリティッシュコロンビア大学の研究者が協力して取り組んだ。この研究の最新の論文シリーズ「ウェアラブル生体モニタリングのための 3D プリントされた超堅牢な表面ドープ多孔質シリコンセンサー」が、ACS Nano 誌に掲載されました。

ウェアラブルセンサーの開発<br /> 過去数十年間に医療が進歩したため、先進国の人々の寿命は延びましたが、健康状態はより複雑で多様化しています。急性外傷の生存率も向上していますが、これは重度の障害を持つ患者数の増加と関連しています。疫学的観点から見ると、米国のベビーブーマー世代は、医療保険制度に大きな負担をかけ始める年齢に達している。米国だけでなく、高度に工業化された国々の医療制度も同様の深刻な課題に直面することになるだろう。

こうした人口動態の変化により、いくつかの根本的な疑問が生じます。複雑な病状を持つ人の増加にどのように対応すればよいのでしょうか。質の高い医療を受けられない人々に、どうすれば質の高い医療を提供できるのでしょうか?増加する高齢者の自立と参加を最大限に高めるにはどうすればよいでしょうか?

明らかに、これらの質問に答えることは複雑であり、医療の組織化と支払いの方法の変更が必要になります。しかし、解決策の一部は、情報技術と関連分野における最近の進歩をどのように、どの程度活用するかにあるかもしれません。現在、いくつかのテクノロジーは、医療システムの能力を拡大し、その範囲を地域社会に広げ、診断と監視を改善し、個人の独立性と参加を最大限に高める上で大きな可能性を秘めています。ウェアラブル技術に基づく遠隔モニタリングシステムはそのようなアプローチの 1 つであり、ウェアラブルセンサーシステムの最近の開発により、多くの興味深い臨床アプリケーションが実現しています。

ウェアラブルセンサーには診断および監視のアプリケーションがあります。現在の機能には、生理学的および生化学的センシング、および動作センシングが含まれます。生理学的モニタリングは、てんかん、高血圧、失読症、喘息などの神経系、心血管系、肺系の疾患を患う多数の患者の診断と治療に役立ちます。家庭ベースのモーションセンシングは、転倒の防止に役立ち、個人の自立とコミュニティへの参加を最大限に高めるのに役立ちます。

リハビリテーションで重要な生理学的モニタリングには、心拍数、呼吸数、血圧、酸素飽和度、筋肉活動が含まれます。これらのモニタリングから抽出されたパラメータは、健康状態の指標を提供し、大きな診断価値を持ちます。これまで、生理学的パラメータの継続的なモニタリングは病院内でのみ可能でした。しかし今日では、ウェアラブル技術の発達により、生理学的信号の正確で継続的かつリアルタイムのモニタリングが可能になりました。

ウェアラブルシステムに生理学的モニタリングを統合するには、巧妙な設計と新しいセンサーの配置が必要になることがよくあります。例えば、浅田らは、血中酸素飽和度（SpO2）と心拍数を測定するためのリングセンサー設計を提案しました。リングセンサーは完全に自己完結型です。指輪のように指に装着され、モーションアーティファクトを低減する技術を統合し、測定精度を向上させるように設計されています。リング型センサーの用途は、高血圧の診断からうっ血性心不全の治療まで多岐にわたります。その後、同じ研究グループは、スタンドアロンのウェアラブルな袖なし光電脈波（PPG）血圧モニターを開発しました。このセンサーは、2 つのマイクロ電気機械システム (MEMS) 加速度計に基づく新しい高度センサーを統合し、心臓に対する PPG センサーの静水圧変位を測定します。平均動脈血圧は、心臓に対するセンサーの高さを考慮した PPG センサー出力振幅から算出されます。

独創的なデザインのもうひとつの例は、Corbishley らが開発した、小型のウェアラブル音響センサー (マイクなど) を使用して呼吸数を測定するシステムです。首にマイクを取り付けて呼吸に関連する音響信号を記録し、バンドパスフィルタリングによって信号変調パケットを取得します。研究者たちは、環境ノイズやその他の人間の干渉を除去する技術を開発することで、呼吸数の測定において90パーセント以上の精度を達成することに成功した。さらに、上記のセンシング技術をベースにした無呼吸検出アルゴリズムを提案した。

近年、生理学的モニタリングは、フレキシブル回路の開発とセンシング技術とウェアラブルデバイスの統合により大きな恩恵を受けています。パターソンらは、心拍数モニタリング用に、耳に装着する柔軟な低電力 PPG センサーを発表しました。センサーの位置と目立たないデザインにより、長期の監視に適しています。このタイプのシステムは有望な結果を示していますが、モーションアーティファクトの削減を実現するには追加の作業が必要であると思われます。ウェアラブルセンサーの導入には、モーションアーティファクトを適切に削減することが重要です。動きによって引き起こされる問題の一部は、センサーをハーネスに統合することで最小限に抑えることができます。 Lanata らは、さまざまなウェアラブル呼吸機能モニタリングシステムの比較分析を実施しました。分析結果によると、圧電ガス血管造影法はスパイロメトリーよりも優れた検出効果を発揮します。それでも、モーションアーティファクトを軽減するための信号処理技術のさらなる開発が必要です。

近年、生化学センサーはウェアラブル技術分野の研究者の間で大きな関心を集めています。これらのタイプのセンサーは、生化学や大気中の化合物のレベルを監視するために使用できます (たとえば、危険な環境で働く人々を監視する場合に役立ちます)。生化学センサーは、体液の収集、分析、処理を必要とすることが多いため、設計の観点からはおそらく最も複雑です。ウェアラブル生化学センサーの分野の研究は遅々と進んできましたが、近年のマイクロナノ製造技術の発展により加速しています。たとえば、Dudde らは、血糖値を測定してインスリンを自動的に注入できる、低侵襲性のウェアラブル閉ループ準持続薬剤注入システムを開発しました。血糖値モニターは、微小灌流技術を使用して血糖値を継続的に測定する新しいシリコンセンサーで構成されており、改良された高度なインスリンポンプによってインスリンの持続的な注入が実現されます。このデバイスには、データの表示と記録、およびパーソナルデジタルアシスタント (PDA) デバイスからのコマンドの受信のための Bluetooth 通信が組み込まれています。

欧州委員会の支援を受けて、BIOTEX プロジェクトの一環として、さまざまな生化学センサーが開発されました。具体的には、BIOTEX プロジェクトでは、体液をモニタリングするための生化学センサーを繊維に組み込むことを目指しています。このプロジェクトでは、研究者らは、生体外および体内でヒトの汗の pH、ナトリウム、伝導率をテストするための繊維ベースの体液収集システムとセンサーを開発しました。研究者らは、ウェアラブルシステムのin vitroおよびin vivoテストを通じて、身体活動中の汗のリアルタイム分析に使用できることを実証した。

同様のプロジェクトである ProeTEX の一環として、Curone らは、二酸化炭素センサーを内蔵し、動き、周囲温度、体温、位置、血中酸素飽和度、心拍数、呼吸数を測定する消防士用のウェアラブルセンシングガーメントを開発しました。 ProeTEX システムは、潜在的に危険な環境について消防士に警告し、消防士の健康状態に関する情報をコントロールセンターに提供することができます。上記のプロジェクトで開発されたシステムは、遠隔健康モニタリングアプリケーション用の電子テキスタイルベースのウェアラブルシステムを設計するために使用できます。

同時に、「ラボオンチップ」システムの開発への関心も高まっています。このようなシステムは、ポイントオブケア検査と診断を高速、安価、かつ容易に利用できるようにすることで、ポイントオブケア検査と診断に革命をもたらす可能性があります。 Wang らは、遠隔監視アプリケーション向けに pH センサーと温度センサーを統合したシステムオンチップ (SOC) を開発しました。同社の SOC には、ユニバーサルセンサーインターフェイス、ADC、マイクロコントローラ、データエンコーダー、周波数シフトキード RF トランスミッターが含まれています。同様に、Ahn らは、血液ガス濃度やグルコースなどのパラメータの生化学的検出用に、低コストで使い捨てのプラスチック製ラボオンチップデバイスを開発しました。バイオチップには、複数のパラメータを検出するための統合バイオセンサーアレイが含まれており、アクティブなマイクロ流体ポンプの代わりにパッシブなマイクロ流体システムを使用します。

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