Elektronika drukowana – nowe narzędzia dla medycyny i telemedycyny

mgr inż. Dominik Baraniecki

Dlaczego medycyna przenosi się do naszego domu oraz jak pomoże w tym rozwój elektroniki drukowanej?

Szpitale w całej Europie i na świecie są przepełnione. Służba zdrowia, już przeciążona nadgodzinami personelu, nie nadąża za rosnącą liczbą pacjentów. Dlatego coraz więcej leczenia przenosi się do domów: zamiast kolejnego pobytu na oddziale – wideokonsultacja, a zamiast wizyty kontrolnej – plaster z czujnikiem. Rynek urządzeń do zdalnego monitorowania pacjentów ma według Grand View Research wzrosnąć z 22 mld USD w 2024 r. do ponad 110 mld USD w 2033 r.

Niestety typowa elektronika nie pasuje do domowej kanapy czy do sportu. Sztywne elementy, niewygodne przewody, duże obudowy, konieczność podłączenia do prądu. Tutaj z pomocą przychodzi elektronika drukowana: czyli warstwy przewodzące nanoszone na folię czy tkaninę tak, jak drukuje się gazetę. Urządzenie staje się cienkie i lekkie jak plaster czy naklejka, a w dodatku tanie i często jednorazowe. Takie właśnie rozwiązania powstają w Dziale Elektroniki Drukowanej, Tekstroniki i Montażu w Centrum Zaawansowanych Materiałów i Technologii CEZAMAT Politechniki Warszawskiej kierowanym przez prof. Małgorzatę Jakubowską. Misją zespołu jest tworzenie innowacyjnych rozwiązań dla człowieka i jego otoczenia w tym rozwiązań z dziedziny medycyny, które wspomogą procesy leczenia i umożliwią przeniesienie pacjentów z kliniki do domu.

Jak elektronika drukowana może wspomóc codzienną praktykę lekarską?

Wyobraźmy sobie kawałek elastycznej folii, na którą sprawnym przejazdem drukarki nanosimy „wdrukowane” w powierzchnię przewody, czułe na nacisk pola lub drukowane czujniki stanowiące mikrolaboratoria chemiczne dostarczające nam wiedzy o stanie użytkownika czy pacjenta. Tak właśnie powstają nowoczesne technologie w naszym zespole w CEZAMAT PW.

Powrót do chodzenia

Po operacji biodra czy kolana pacjenci spędzają dziesiątki godzin w ruchu, lecz fizjoterapeuci obserwują pacjentów jedynie przez ułamek tego czasu. Ponadto oceny dokonują bazując na swoim doświadczeniu i obserwacji, nie na wymiernych danych liczbowych. W realizowanym projekcie Eukines opracowaliśmy czujniki nacisku wdrukowane w wygodną wkładkę do buta. Dodanie prostego modułu Bluetooth umożliwia zarówno lekarzowi jak i pacjentowi obserwację postępów i bieżące korygowanie błędów chodu. Co więcej, dzięki zastosowaniu technik druku cena pary wkładek, będzie porównywalna do ceny codziennego lunchu, który zamawiamy w przerwie od pracy.

Inteligentny opatrunek

Nie każda rana goi się po paru dniach. Wielu pacjentów zmaga się z ranami trudnogojącymi się, których leczenie może trwać nawet kilka miesięcy. Wówczas konieczne jest kontrolowanie stanu rany pod opatrunkiem bez zdejmowania go zbyt często w celu ograniczenia ryzyka infekcji. W naszym zespole opracowujemy czujniki pH, które drukowane bezpośrednio na opatrunku czy gazie lub wkładane pod opatrunek dostarczają informacji o stanie rany. To pozwala pacjentowi czy lekarzowi ocenić czy opatrunek wymaga zmiany bez ryzyka jej odkrywania. Pomysł zdobył w 2022 roku międzynarodową nagrodę w konkursie James Dyson Award.

Czego możemy dowiedzieć się z potu?

Sportowcy czy pacjenci kardiologiczni potrzebują czegoś więcej niż licznik kroków. Dzięki technikom druku możemy wytworzyć plaster z czujnikami, który umieszczony w miejscu o zwiększonej potliwości będzie zbierać istotne dane o stanie pacjenta czy sportowca dostarczając mu kluczowych informacji np. na aplikację mobilną telefonu. Nasze rozwiązanie umożliwia monitorowanie stężenia mleczanów, poziomu pH oraz elektrolitów. Rynek elektroniki noszonej rozwija się bardzo dynamicznie, a każdy z nas już teraz opina i obkleja się lekkimi, wygodnymi urządzeniami monitorującymi nasz stan. Nasze rozwiązanie mogłoby nie tylko pomóc w bardziej wydajnym treningu, ale również wykrywać i przewidywać stany wynikające z niewydolności układu krążeniowego.

Badania mózgu szyte na miarę

W naszym zespole opracowujemy również elektrody do badania i stymulowania mózgu. Dzięki precyzyjnym technikom druku jesteśmy w stanie wytworzyć linie o wysokiej przewodności, a szerokości kilkukrotnie mniejszej od szerokości ludzkiego włosa. Techniki druku ponadto pozwalają na tanie wytworzenie elektrod o praktycznie dowolnym ułożeniu – dostosowanych do indywidualnej anatomii mózgu bazując np. na skanie 3D badanego obszaru.

Diagnostyka i wczesne ostrzeganie także poza ciałem człowieka

Dobrze wiemy, że na nasze zdrowie bardzo często duży wpływ mają czynniki zewnętrzne. Czyste powietrze, zdrowa żywność, bezpieczne środowisko. Latem 2022 roku miał miejsce toksyczny zakwit alg na rzece Odra co doprowadziło do lokalnej katastrofy ekologicznej i śmierci około 360 ton ryb. Eksperci przyznali zgodnie: gdyby istniało gęsto rozstawione i odpowiednio częste monitorowanie jakości wody, tragedii można było uniknąć. Z pomocą przychodzi nasz nowy projekt WaterSense (ASIR HYDROSTRATEG). CEZAMAT PW jest częścią zespołu jednostek opracowujących pływające boje z drukowanymi sensorami zbierającymi dane o zanieczyszczeniach i odczynie kwasowości wody. Olbrzymie zapotrzebowanie na pomiary wody w czasie rzeczywistym zaspakajają drukowane, tanie i elastyczne sensory przewijane niczym film w starym aparacie. Dzięki temu boje dostarczają realnych i bieżących danych o stanie środowiska, a funkcje AI pozwalają na prognozowanie stanów alarmujących.

I wiele więcej…

To nie wszystko… Pracujemy również nad elektrodami do EKG, pneumografii. Wytwarzamy systemy do wykrywania wirusów, podgrzewane maty i ubrania, a wszystko to powstaje w naszych laboratoriach bazując często na autorskich materiałach.

Elektronika drukowana – technologia przyszłości

Elektronika drukowana będzie wypełniać coraz bardziej sektor medycyny oraz sektor zdrowia. Dzięki tanim, lekkim i wygodnym sensorom, życie pacjentów stanie się prostsze a służba zdrowia przejdzie prawdziwą rewolucję. Niskie koszty druku pozwolą szybko wdrożyć rozwiązania na szeroką skalę produkcyjną, a inteligentne i często jednorazowe urządzenia staną się naszą codziennością.

Oczywiście przed nami jeszcze wyboista droga. Nowe rozwiązania, które mają styczność z krwią czy organami podlegają najbardziej rygorystycznym testom bezpieczeństwa. Technologie trzeba dopracować i sprawdzić w „warunkach polowych”. Niezaprzeczalne jest jednak, że rozwiązania te prędzej czy później znajdą zastosowanie w nowoczesnej medycynie w domu, w medycynie pola walki czy w medycynie szpitalnej, gdzie usprawnią działania lekarzy dostarczając kluczowych danych medycznych.