革新的スマートセンサ、温度と歪みの精密追跡で創傷モニタリングを強化

ペンシルベニア州立大学工学部、ユニバーシティパーク、ペンシルベニア州

人体での使用に適した柔軟なセンサが、レーザー誘起グラフェンを用いて温度と歪みを同時にかつ個別に測定。炎症と回復へのより明確な洞察を提供することで、創傷治癒モニタリングの向上を可能にします。（画像：Jennifer M. McCann）

ヘルスケアモニタリング用の自己電源ウェアラブルセンサにおける主要な課題は、同時に発生する異なる信号を区別することです。ペンシルベニア州立大学と中国の河北工業大学の研究者たちは、センサ材料の新たな特性を発見することでこの問題に対処し、温度と物理的歪みを同時にかつ個別に精密測定できる新タイプの柔軟センサを開発しました。これにより、さまざまな信号をより精密に特定できます。

「我々が開発したこのユニークなセンサ材料は、ヘルスケアモニタリングにおいて潜在的に重要な応用があります」とペンシルベニア州立大学の工学科学力学（ESM）部門、James L. Henderson, Jr.記念准教授、研究の共同責任著者であるHuanyu "Larry" Cheng氏は述べています。「治癒中の創傷によって生じる温度変化と物理的変形（歪み）を正確に測定し、それら2つの信号を分離して測定することで、創傷治癒の追跡に革命をもたらす可能性があります。医師は治癒プロセスをより明確に把握でき、炎症などの問題を早期に特定できるようになります。」

研究者たちは、レーザー誘起グラフェン（LIG）を用いて、温度と歪み信号をクロストークなしで精密測定することを目指しました。LIGは通常のグラフェンを含むすべての2D材料と同様に、1〜数原子層の厚さで独自の特性を持ちますが、ひねりがあります。レーザーがプラスチックや木材などの炭素豊富な材料を特定の方法で加熱し、その表面をグラフェン構造に変換すると、レーザー誘起グラフェンが形成されます。レーザーが本質的に材料にグラフェンを「書き込む」ため、電子デバイス、センサ、エネルギーデバイス用のグラフェンパターンをシンプルかつスケーラブルに製造できます。

LIGはこれまでガスセンサ、汗分析用電気化学検出器、スーパーキャパシタなどさまざまな用途に使用されてきました。しかし、研究者たちはLIGの新たな特性を発見し、それが多目的で精密なセンサとして理想的であると考えています。

「我々の研究で、この材料が熱電特性も持つことを偶然発見しました」とCheng氏。「レーザー誘起グラフェンに熱電能力があると報告されたのは、これが初めてだと考えています。そして、これは我々がここで目指していること、つまり温度変化と物理的歪みまたは変形を個別に測定するために、本当に重要です。」

材料における熱電特性とは、温度差を電圧に、またはその逆を変換する能力を指し、エネルギー収穫や温度センシングなどの用途を可能にします。Cheng氏によると、LIGのこの新たに特定された熱電特性により、2つのセンサ測定を容易に分離できるため、創傷部位に埋め込むセンサなど、ヘルスケア用途に理想的です。

「温度と歪みの両方に敏感な材料では、材料の変化によってどちらの信号が引き起こされたのか判別が難しい場合があります」とCheng氏。「しかし、レーザー誘起グラフェンのこの熱電効果を利用することで、本質的にその2つの測定を分離できます。電気抵抗を見て歪みの情報を得ながら、熱電圧を測定して温度を決定できます。これが、医師が創傷部位の温度変動と物理的変化の両方を追跡し、治癒の進行具合をより明確に把握できる理由です。」

また、このセンサは高感度で、0.5℃という微小な温度変化を検出可能です。多孔質グラフェンと熱電コンポーネントの連携を活かした材料設計により、熱電変換効率が従来比でほぼ4倍に向上。また、45%まで伸張可能で、さまざまな形状や表面に適合しても機能を失いません。

「この材料の多孔質構造は、微小な空間とチャネルを多数作り出し、周囲と非常に敏感に相互作用できるようにします」とCheng氏。「これは、セラミックベースなどのより硬い熱電材料とは対照的に、人体軟組織とのインターフェースに適しています。」

LIGの熱電側面は温度差があるときに電力を生成できるため、LIGセンサは自己電源駆動です。Cheng氏によると、これは臨床現場での継続的モニタリングや、遠隔地での火災検知支援など、他の用途にも特に有用だとしています。

センサの改良に加え、チームはセンサからのデータをリモートで監視できるワイヤレスシステムの開発も進めています。これにより、スマートフォンや他のデバイスを使用して、温度や歪みなどの重要情報をリアルタイムで追跡可能になります。

「例えば、医師が遠隔地から患者の状態を監視したり、緊急レスポンダーが危険な温度変化のアラートを受け取ったりできるようになります」とCheng氏。「これらの進歩は、テクノロジーをよりアクセスしやすく効果的なものにし、日常的な状況での健康モニタリングと安全性の向上を支援することを目的としています。」

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