Pagtitipon ng mga Piraso – HealthTech na Makikinabang sa Mga Versatile na Bioelectrodes

Kilala natin ang mga elektrodo. Ang isang elektrodo ay pangunahing isang konduktor na nakakontak sa isang non-metalikong bahagi ng isang circuit. Karaniwang ginagamit sa mga electrochemical cells, ang mga elektrodo ay karaniwang ng dalawang uri: cathode at anode, depende sa uri ng kemikal na reaksiyon na nangyayari.

Ngunit ano ang mga bioelectrode? At bakit tinatanaw sila ng mga siyentipiko at teknolohiya ng pag-asa ngayon? Iyon ang tatalakayin natin sa artikulong ito.

Ano ang mga Bioelectrodes?

Ang komunidad ng agham ay naglalarawan sa mga bioelectrode bilang mga device na makakagawa o susukatin ang aktibidad ng kuryente sa loob ng katawan para sa electrophysiological stimulation o monitoring. Dahil sa kanilang kakayahan na mag-convert ng biochemical energy ng mga buhay na organismo sa mga signal ng kuryente, mayroon silang malawak na hanay ng mga aplikasyon sa medisina, environmental monitoring, at biotechnology. Ang pinakakaraniwan at kritikal na aplikasyon ng mga bioelectrode na nakikita natin sa paligid ay sa mga proseso ng Electrocardiography (ECG) at Electroencephalography (EEG), na naglalayong masubaybayan ang aktibidad ng kuryente ng puso at utak, respectively. Ang mga implantable device tulad ng pacemaker ay mayroong mga bioelectrode bilang mga komponente na makakapag-regula ng mga rhythm ng puso.

Bukod sa mga use case na ito, ang mga bioelectrode ay tumutulong na makita ang mga polusyon at monitoring ng water quality, pag-aaral ng mga proseso ng cellular at pagbuo ng mga biosensor.

Sa kabuuan, ang mga bioelectrode ay mayroong iba’t ibang mga aplikasyon at – sa katunayan – ito ang dahilan kung bakit ang komunidad ng agham, lalo na ang mga kasangkot sa health-tech, ay nais na galugarin ito pa.

Sa susunod na segment, titingnan natin ang breakthrough research na maaaring magdulot ng pagbuo ng isang bioelectrode material na stretchable, permeable sa humidity at sumusunod sa balat.

Isang Bagong Bioelectrode Material na May Enhanced Stretchability at Improved Permeability

Ang pananaliksik ay isinagawa ng isang team na pinamunuan nina Assistant Professor Tatsuhiro Horii at Associate Professor Toshinori Fujie mula sa Tokyo Institute of Technology (Tokyo Tech). Ang kanilang layunin ay bigyan ng kapangyarihan ang lumalagong wearable healthcare at fitness market sa mga bioelectrode material na hindi magdudusa sa karaniwang problema ng kakulangan ng flexibility. Ang mga material na ito ay makakapag-stretch ng balat nang hindi nababali at may mababang humidity-permeability, na humahantong sa pagbuo ng pawis at hindi komportable.

Napansin nila na ang mga material na ginagamit para sa mga bioelectrode, tulad ng mga metal, conductive polymers, at hydrogels, ay nagdudusa sa problema na ito. Kaya, hindi sila kakayahan na mag-record ng mga biosignals sa loob ng mahabang panahon.

Anong Material ang Ginagamit ng Bagong Solusyon?

Sa pagdidisenyo ng solusyon, ang mga mananaliksik ay nag-imbento ng isang bagong uri ng material na binubuo ng mga layer ng conductive fibrous networks na binubuo ng single-wall carbon nanotubes (SWCNTs) sa isang stretchable poly(styrene-b-butadiene-b-styrene) (SBS) nanosheet. Ang mga nanosheets ay sumusunod ng mahigpit sa balat, na nagreresulta sa mas tumpak na pag-sukat ng mga biosignal. Ang mga fiber ng carbon nanotube ay tumutulong na panatilihin ang stretchability at gawing humidity-permeable ang device.

Habang nagsasalita tungkol sa pangangailangan ng pagbuo ng isang bagong at pinahusay na bioelectrode, sinabi ni Assistant Professor Tatsuhiro Horii ang sumusunod:

“Ang mga self-supporting electrodes na stretchable, permeable sa humidity, at sumusunod sa balat ay kinakailangan upang payagan ang natural na deformasyon ng balat nang hindi nakakapigil sa mga galaw ng katawan.”

Bukod sa pagpapabuti ng stretchability at permeability, ang bioelectrode ay pati na rin nagpapatunay na matibay at matatag para sa extended na paggamit. Sa isa sa mga pagsubok sa durability, ang mga mananaliksik ay nag-subject sa material sa paulit-ulit na pag-bend, na sinusukat ang pagbabago sa resistance. Natagpuan nila na ang resistance ay tumataas ng kaunti, na 1.1 beses sa pawis at 1.3 beses sa loob ng 300 cycles ng bending.

Sa pagbuo ng lahat ng mga tagumpay ng pananaliksik, sinabi ni Associate Professor Toshinori Fujie:

“Nakuha namin ang mga skin-conformable bioelectrodes na may mataas na water vapor permeabilities, na nagpakita ng katulad na pagganap sa sEMG measurements sa mga konventional na electrodes.”

Habang ang pananaliksik na ito ay nakatuon sa wearable healthcare at sa papel ng mga sopistikadong bioelectrode sa paggamot, ang mga mananaliksik ay tinatanaw din ang mga paraan na maaaring gawing mas mahusay ang mga implantable bioelectrode. Sa susunod na segment, titingnan natin ang isa sa mga pananaliksik na ito.

Implantable Polymer Bioelectrode para sa Enhanced Tissue Responses at in Vivo Performance

Habang ang mga implantable bioelectrode ay may halaga sa pagbuo ng mga instrumento na makatutulong sa paggamot at pagdiagnose sa pamamagitan ng direktang paghahatid ng mga signal ng kuryente sa loob ng mga buhay na tissue, ang mga bioelectrode na ito ay madalas na nagdudusa sa pagganap dahil sa mga adverse tissue reactions, na pangunahing dulot ng mataas na oxidative stress at sunod na inflammatory activation ng mga macrophage.

Isang team ng mga mananaliksik ay sinubukan ang posibilidad ng isang bagong solusyon sa ganitong aspeto. Pinakilala nila ang mga reactive oxygen species (ROS)-scavenging capabilities sa mga bioelectrode. Upang maspecific, ang mga mananaliksik ay nag-fabricate ng isang polypyrrole (PPy) electrode na doped with hemin-conjugated heparin (HepH) upang bigyan ang sistema ng robust enzyme-like antioxidant properties.

Ayon sa mga resulta ng pananaliksik, ang mga HepH-doped PPy electrodes ay nagpakita ng catalase-mimicking activity, na pinatunayan ng hydrogen peroxide scavenging at oxygen gas generation sa presensya ng hydrogen peroxide.

Ang mga electrodes na ito ay nakatulong na bawasan ang mga intracellular ROS levels at dinirekta ang polarization ng mga macrophage patungo sa isang anti-inflammatory phenotype, na nagmitiga sa pagbuo ng collagenous scar tissue sa paligid ng mga implantable electrodes. Ang isang real-time ECG monitoring sa loob ng 20 araw ay nagpakita na ang extended in vivo signal sensitivity ng mga HepH-doped PPy electrodes ay kapareho ng mga implantable bioelectrode.

Maraming mga institusyon at organisasyon sa buong mundo ang nagpapatupad ng ganoong pananaliksik. Bukod dito, may ilang mga kumpanya na naglalagay ng mga pondo at rekurso sa R&D din. Sa mga susunod na segment, titingnan natin ang ilang mga kumpanya.

#1. Elephantech

Isa sa mga kumpanya na gumagawa ng inobasyon sa larangan na ito ay ang Tokyo-based na Elephantech. Ang kumpanya ay nagmamay-ari ng Ag/AgCl bioelectrodes with P-Flex. Ang P-Flex ay nangangahulugang isang paraan kung saan ang metal ink ay direktang na-print, na sinusundan ng copper plating.

Ang paraan ng paggawa – na kilala bilang Pure Additive method – ay nagbabago ng metal sa isang nanoparticle ink state, na pagkatapos ay na-print sa isang substrate gamit ang isang inkjet printer. Ang electroless copper plating ay tumutulong sa metal na lumago upang bumuo ng isang circuit.

Isa sa mga pinakamahalagang benepisyo ng paraan na ito ay na nangangailangan ito ng mas kaunting mga proseso ng paggawa kumpara sa mga konventional na paraan, na nagreresulta sa makabuluhang pagbawas ng epekto sa kapaligiran at pagpapabuti ng cost performance.

Ang Elephantech ay nagmamay-ari ng Ag/AgCl bioelectrode gamit ang P-Flex method. Ang resulta ay isang lubos na mababang resistance sa mga elektrodo dahil sa copper wiring nito. Bukod dito, ito ay kapaki-pakinabang din dahil ang pag-install ay posible sa mga bahagi.

Habang ipinaliwanag ang kahalagahan ng pagkakaroon ng Ag/AgCl bioelectrodes para sa ECG, sinabi ni Yoji Ishiyama sa kanyang research paper:

“Generally, nickel silver o silver electrodes ay ginagamit para sa electrode derivation ng ECG o EEG subalit, ito ay inirerekomenda para sa monitoring na gamitin ang Ag/AgCl electrodes na ginagamit nang matatag sa loob ng mahabang panahon, at may mababang polarizing potential sa pagitan ng balat at mga elektrodo.”

Ang proseso ng Elephantech ay nakatulong upang makamit ang mga sopistikadong Ag/AgCl bioelectrodes at maaaring gamitin nang malawak upang masukatin ang EMG, ECG, at EEG.

Ayon sa pinakabagong impormasyon, ang Elephantech ay nagtaas ng ¥3,000,000,000 / Series E mula sa Nomura Holdings sa pagtatapos ng Marso 2024.

#2. Imedex

Ang Imedex ay isa pang kumpanya na mayroong higit sa 25 taong karanasan sa paggawa ng mga medical bioelectrodes. Ang kumpanya ay naglilingkod sa isang malawak na hanay ng mga gumagamit, kabilang ang mga ospital at mga institusyon ng pananaliksik sa unibersidad.

Isa sa mga natatanging tampok na naabot ng Imedex sa kanilang mga bioelectrode ay ang kahanga-hangang pagbawas ng noise. Ang kumpanya ay nag-aangkin na nakagawa ng mga optimised na estruktura ng elektrodo na tinatawag na “fully shield.” Ang matagumpay na pagbawas ng noise waves ay tumutulong sa mga doktor na magkaroon ng mas tumpak na pagdiagnose.

Ang mga bioelectrode ng Imedex ay may kakayahang gamitin sa iba’t ibang larangan. Ang mga ito ay kompatibilidad sa mga umuusad na sensor technologies. Ang mga bioelectrode ay maaaring magamit din sa mga larangan ng wellness, fitness, at sports, hindi lamang sa healthcare at diagnostics.

Sa isang mas pangkalahatang antas, ang paggamit ng mga bioelectrode ng Imedex ay makikita sa mga Holter monitors, strip electrodes at 16-pole electrodes. Ito ay sumasang-ayon din sa mga pangangailangan ng mga portable biosensors, kabilang ang mga single induction at NASA induction types.

Ang kumpanya ay itinatag noong 1992 na may founding capital na 12,500,000 yen. Mayroon itong mga opisina sa Japan at France.

Mga Trend ng Bioelectrode para sa Kinabukasan

Ang paraan kung saan ang pananaliksik sa bioelectrode ay nagpatuloy sa nakaraang mga taon, ito ay malinaw na magiging mas versatile at sopistikado pa sa mga darating na araw. Habang tinalakay na natin ang dalawang breakthrough research na nangyari kamakailan sa larangan na ito at tiningnan ang mga kumpanya na naglalagay ng mga rekurso sa larangan na ito, mayroon pa ring marami na hindi tinalakay. Titingnan natin ang ilan sa mga ito sa mga susunod na segment.

Noong 2022, isang grupo ng mga mananaliksik mula sa University of Grenoble, France, ay sumubok ng isang bagong konsepto ng hollow electrodes batay sa pag-assemble ng dalawang buckypapers, na lumikha ng isang microcavity na naglalaman ng isang biocatalyst. Ang mga mananaliksik ay nag-fabricate ng hollow bioelectrodes na naglalaman ng 0.16–4 mg bilirubin oxidase sa isang microcavity at inilapat ito sa electro-enzymatic reduction ng O2 sa aqueous solution.

Para sa hemin-modified buckypaper, ang bioelectrode ay nagpakita ng direktang electron transfer sa pagitan ng multi-walled carbon nanotubes at bilirubin oxidase na may onset potential na 0.77 V vs. RHE. Ang mga mananaliksik ay nag-infer na ang storage stability na ipinakita ng hollow bioelectrodes ay mabuti, na may electro-enzymatic activity na 30 at 11% ng kanilang initial activity pagkatapos ng 3 at 6 na buwan, respectively.

Ang mga bioelectrode ay natagpuang maayos na itinayo at permeable sa tubig ngunit hindi pinapayagan ang permeasyon ng enzyme. Ang mga ito ay nagpakita ng efficient electroenzymatic reduction ng O2 sa pamamagitan ng direktang electron transfer na may mga molecule ng BOx sa solusyon.

Ang proseso ay pinabuti dahil sa paggamit ng hemin at ABTS para sa oryentasyon at electrical wiring ng BOx, respectively. Sa kabuuan, hindi lamang ang mga hollow electrodes ay nakatayo sa kanilang sarili dahil sa kanilang long-term operation at storage stability, ngunit nagtulong din sila sa pagbuo ng isang bagong henerasyon ng enzyme electrodes bilang biosensors o biofuel cells.

Isang iba pang pag-aaral, na isinagawa ng isang team na binubuo ng mga mananaliksik mula sa Spain at United States, ay tiningnan ang mga epekto ng nanostructuration sa electrochemical performance ng metallic bioelectrodes. Ang pag-aaral na ito ay isang kritikal dahil sa paggamit ng metallic nanostructures sa paggawa ng bioelectrodes (e.g., neural implants) ay nakakuha ng atensyon.

Ang mga mananaliksik ay naniniwala na ang mga nanostructures ay maaaring magbigay ng pinataas na surface area na maaaring makabuti sa pagganap ng mga bioelectrode. Gayunpaman, ang mga mananaliksik ng pag-aaral na ito ay inilagay ang kanilang pagtuon sa electrochemical performance ng nanostructured surfaces sa physiological at relevant working conditions.

Inobasyon, ang mga mananaliksik ay ipinakilala ang isang versatile at scalable fabrication method batay sa magnetron sputtering upang lumikha ng mga analogous metallic nano-columnar structures (NCs) at thin films (TFs) mula sa Ti, Au, at Pt upang ipakita na ang mga NCs ay nakapag-ambag nang malaki sa pagbawas ng impedance ng mga metallic surfaces.

Noong 2023, ang mga mananaliksik ay naglalayong solusyonan ang risk ng in-stent restenosis pagkatapos ng implantation sa pamamagitan ng pagsasama ng mga konventional na vascular stents na may mga liquid metal-based electrodes na may impedance detection, irreversible electroporation, at blood pressure detection.

Kumpara sa mga konventional na rigid electrodes, ang mga liquid metal-based electrodes ay nagpakita ng pinaghalong improved conductivity at stretchability. Ang mga ito ay mas kumportable sa proseso ng implantation ng vascular stents at nanatiling sa vasculature sa loob ng mahabang panahon.

Bago pa ang lahat ng mga pagbuo na ito, nakikita na natin noong 2019, isang team ng mga mananaliksik na gumagamit ng graphene-based bioinks sa paggawa ng three-dimensional bioelectrodes. Sila ay nag-immobilize ng “bioink” ng glucose oxidase (GOD) sa isang matrix ng reduced graphene oxides (RGOs), polyethylenimine (PEI), at ferrocene carboxylic acid (FcCOOH) sa carbon paper (CP). Ang resulta ay versatile na may potensyal na aplikasyon para sa iba pang enzymatic bioelectrodes.

Sa isa sa aming mga naunang artikulo, tinalakay namin ang inobasyon sa wearable technology na ipinakilala ng mga mananaliksik sa University of Washington. Ang unique device, na tinatawag na Thermal Earring, ay idinisenyo upang masubaybayan ang temperatura ng katawan sa pamamagitan ng earlobe. Ang estratehikong paglalagay nito sa malapit sa ulo ay nagbigay ng direktang korrelasyon sa core body temperature, na naghihiwalay sa iba pang mga wearable tulad ng smartwatches.

Ang Thermal Earring ay impresibong compact, na may sukat at bigat na katulad ng isang maliit na paperclip, na ginagawa itong hindi lamang pangkalahatang gumagana kundi pati na rin pangmoda. Ito ay nag-integrate ng isang dual-sensor system na makakapag-ibang pagitan ng temperatura ng katawan at temperatura ng kapaligiran, na nagbibigay ng tumpak na pagbasa sa loob ng isang kahanga-hangang makitid na margin ng pagkakamali.

Bukod dito, ang efficient na paggamit ng enerhiya nito ay nagbigay ng 28-day battery life. Habang patuloy na umuunlad ang mga wearable technology, ang Thermal Earring ay tumayo bilang isang pangako sa hinaharap ng pag-iisa ng fashion at medical technology.

Isang iba pang pagbuo na tinalakay namin ay ang pagbabago ng mga smartphone upang maging mga glucometer. Ang mga mananaliksik sa National Institute of Standards and Technology sa Boulder, USA, ay inilarawan sa kanilang papel na “Quantitative, high-sensitivity measurement of liquid analytes using a smartphone compass” kung paano ang magnetic compass sa mga smartphone ay maaaring gamitin muli.

Sa pamamagitan ng pag-embed ng mga maliit na magnetic particles sa isang custom-designed hydrogel, ipinakita nina Mark Ferris at Gary Zabow na ang mga pagbabago sa concentration ng glucose o pH ay nagiging sanhi ng pagpapalawak o pagpapaliit ng hydrogel. Ang paggalaw na ito ay nagbabago ng distansya ng mga magnetic particles mula sa compass ng smartphone, na nagpapahintulot sa device na masubaybayan ang mga pagbabagong ito nang tumpak.

Sa isang mataas na sensitivity na makakapag-detekta ng mga maliit na pagbabago, ang pamamaraan na ito ay nangangako ng isang simple at accessible na paraan upang masubaybayan ang mga metric ng kalusugan tulad ng antas ng glucose gamit lamang ang isang smartphone at isang special app.

Pag-iisip sa Pagtatapos

Sa kabuuan, ang mga pagsisikap upang gawing mas versatile ang mga bioelectrode ay malakas na nagpapatuloy, na may mas maraming benepisyo at tumpak na mga aplikasyon na magiging posible sa hinaharap. Ang patuloy na inobasyon na ito ay nagpapahiwatig ng isang hinaharap kung saan ang mga wearable at implantable bioelectrode ay magiging mas mahalaga pa sa healthcare at diagnostics, na nagpapabuti ng mga buhay sa pamamagitan ng kanilang mga advanced na kakayahan at aplikasyon.