革新的なスマートセンサーにより、正確な温度とひずみの追跡により創傷モニタリングが強化されます

ペンシルバニア州ユニバーシティパーク、ペンシルバニア州立工科大学

人体での使用に最適なこの柔軟なセンサーは、レーザー誘起グラフェンを使用して温度と歪みを同時にかつ個別に測定し、炎症と回復についてより明確な洞察を提供することで、より優れた創傷治癒モニタリングを可能にする可能性があります。 (画像:ジェニファー・M・マッキャン)

ヘルスケア監視用の自己給電型ウェアラブル センサーの主な課題は、同時に発生したさまざまな信号を区別することです。ペンシルバニア州立大学と中国の河北理工大学の研究者は、センサー材料の新しい特性を明らかにすることでこの問題に取り組み、温度と物理的ひずみの両方を同時に、しかも個別に正確に測定して、さまざまな信号をより正確に特定できる新しいタイプの柔軟なセンサーを開発できるようになりました。

「私たちが開発したこのユニークなセンサー材料は、医療モニタリングにおいて潜在的に重要な用途を持っています」と、ペンシルベニア州立大学工学科学力学 (ESM) 記念准教授であり、Nature Communications に掲載された研究の共同著者である Huanyu “Larry” Cheng、James L. Henderson, Jr. 氏は述べています。 「傷の治癒によって生じる温度変化と物理的変形または歪みの両方を正確に測定し、2 つの信号を分離することでそれを測定することで、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。」

研究者らは、二次元 (2D) 材料であるレーザー誘起グラフェン (LIG) を使用して、クロストークなしで温度とひずみの信号を正確に測定することを目指しました。通常のグラフェンを含むすべての 2D 材料と同様、レーザー誘起グラフェンは原子 1 ～ 数個の厚さであり、独特の特性を持っていますが、ひねりが加えられています。レーザー誘起グラフェンは、プラスチックや木材などの炭素が豊富な特定の材料をレーザーで加熱し、その表面をグラフェン構造に変換すると形成されます。レーザーは基本的にグラフェンを材料上に直接「書き込む」ため、エレクトロニクス、センサー、エネルギー デバイス用のグラフェン パターンを作成するためのシンプルかつスケーラブルな方法となります。

LIG はこれまでさまざまな用途で使用されてきました。以前、Cheng 氏と彼のチームは、ガスセンサー、汗分析用の電気化学検出器、スーパーキャパシターなどにこれを使用していました。しかし、研究者らは、LIG を多目的で正確なセンサーとして理想的なものにする新しい特性を発見したと信じています。

「私たちの研究では、この材料が熱電特性も持っているという事実を偶然発見しました」とチェン氏は語った。 「レーザー誘起グラフェンが熱電機能を持つことを報告したのはこれが初めてだと考えています。そしてこれは、温度変化と物理的ひずみや変形の両方を個別に測定するという、私たちがここでやろうとしていることにとって非常に重要です。」

材料の熱電特性とは、温度差を電圧に、またはその逆に変換する能力を指し、このような材料を環境発電や温度検知などの用途に使用できるようになります。 Cheng 氏によると、この新たに確認された LIG の熱電特性により、2 つのセンサー測定を分離することが容易になるため、包帯に埋め込まれたセンサーなどのヘルスケア アプリケーションに最適です。

「温度とひずみの両方に敏感な材料がある場合、どの信号が材料の変化によって引き起こされているかを判断するのは難しい場合があります」とチェン氏は言います。 「しかし、レーザー誘起グラフェンでこの熱電効果を利用することで、これら 2 つの測定を本質的に切り離すことができます。電気抵抗を調べてひずみに関する情報を得ると同時に、熱電圧を測定して温度を決定することもできます。これが、医師がこれを使用して創傷部位の温度変動と物理的変化の両方を追跡し、治癒がどのように進行しているかをより明確に把握できる理由です。」

同氏は、センサーの感度が非常に高く、わずか摂氏0.5度の温度変化を検出できることにも言及した。この材料の設計は、多孔質グラフェンと熱電コンポーネントが連携して機能する仕組みを利用しており、熱を電気に変換する能力がほぼ 4 倍向上しています。センサーは、機能を失うことなく、最大 45% まで伸縮でき、さまざまな形状や表面に適合します。

「この材料の多孔質構造は、非常に敏感な方法で周囲と相互作用することを可能にする多くの小さな空間とチャネルを作り出します」とチェン氏は言いました。 「このため、セラミックベースの熱電材料などのより硬い熱電材料とは対照的に、人間の軟組織とのインターフェースに適しています。」

LIG の熱電特性は、温度差があるときに電力を生成できることを意味するため、LIG センサーは自己給電型です。 Cheng 氏によると、これは臨床現場での継続的な監視や、遠隔地での火災の検出を支援するなどの他の用途に特に役立つ可能性があります。

センサーの改良に加えて、チームはセンサーからのデータを遠隔監視できるワイヤレス システムを開発中です。これにより、スマートフォンやその他のデバイスを使用して、温度やひずみなどの重要な情報をリアルタイムで追跡できるようになります。

「たとえば、医師が患者の状態を離れた場所から監視したり、緊急対応者が危険な温度変化に関する警告を受け取ることができます」とチェン氏は述べた。 「これらの進歩は、テクノロジーをより利用しやすく効果的にすることを目的としており、日常の状況における健康監視と安全性の向上に役立ちます。」

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