Elastomery przewodzące w monitorowaniu biopotencjałów. Nowa generacja elektrod EKG bez żelu i kleju

Postęp w inżynierii biomateriałów doprowadził do opracowania nowej generacji elektrod do monitorowania EKG, które eliminują konieczność stosowania żeli przewodzących i tradycyjnych klejów. Rozwiązanie oparte na przewodzących elastomerach łączy wysoką jakość sygnału z większym komfortem pacjenta, co może mieć znaczące implikacje dla monitorowania długoterminowego i telemedycyny.

W artykule

• Ograniczenia klasycznych elektrod EKG i ich wpływ na pacjenta
• Nowa koncepcja elektrod polimerowych bez żelu i kleju
• Charakterystyka materiału POMaC i jego modyfikacji
• Właściwości mechaniczne i elektryczne nowego rozwiązania
• Wyniki badań porównawczych z technologiami komercyjnymi
• Potencjalne zastosowania w biomonitorowaniu

Ograniczenia obecnych technologii monitorowania EKG

Monitorowanie elektrokardiograficzne stanowi podstawowe narzędzie diagnostyczne w kardiologii, wykorzystywane zarówno w diagnostyce ostrych stanów, jak i w długoterminowym nadzorze nad pacjentem. Standardowe elektrody wymagają zastosowania żelu przewodzącego oraz kleju, który stabilizuje ich pozycję na skórze.

Takie rozwiązanie wiąże się jednak z licznymi ograniczeniami klinicznymi. Długotrwałe stosowanie elektrod może prowadzić do podrażnień skóry, reakcji alergicznych oraz dyskomfortu, szczególnie u pacjentów wymagających wielodniowego monitorowania. Dodatkowo wysychanie żelu przewodzącego powoduje stopniowe pogorszenie jakości sygnału, co ogranicza wiarygodność pomiarów.

Założenia nowego podejścia materiałowego

Zespół badawczy postawił sobie za cel opracowanie elektrody, która jednocześnie spełniałaby trzy kluczowe kryteria: wysoką przewodność elektryczną, zdolność do samoprzylegania do skóry oraz komfort użytkowania bez konieczności stosowania dodatkowych substancji pomocniczych.

Kluczowym elementem projektu było wykorzystanie polimeru POMaC (poly(octamethylene maleate (anhydride) citrate)), znanego z korzystnych właściwości mechanicznych, takich jak elastyczność i biozgodność. Jednak sam POMaC nie wykazuje wystarczających właściwości elektrycznych, aby pełnić funkcję elektrody.

Modyfikacja właściwości przewodzących materiału

Aby nadać materiałowi odpowiednie właściwości funkcjonalne, do POMaC wprowadzono dwa dodatkowe komponenty: przewodzący polimer oraz surfaktant. Modyfikację przeprowadzono na etapie ciekłym, co umożliwiło uzyskanie jednorodnej matrycy materiałowej o właściwościach przewodzących.

Powstałą mieszaninę można aplikować za pomocą technik przemysłowych, takich jak sitodruk lub odlewanie w formach, co stanowi istotną zaletę z punktu widzenia skalowalności produkcji. Następnie materiał poddawany jest procesowi sieciowania (utwardzania termicznego), w wyniku którego powstaje elastyczny, przewodzący elastomer.

Właściwości funkcjonalne nowych elektrod

Otrzymany materiał charakteryzuje się strukturą przewodzącej matrycy, która umożliwia efektywne rejestrowanie sygnałów bioelektrycznych, w tym sygnałów EKG. Jednocześnie wykazuje zdolność do samoprzylegania do skóry, eliminując konieczność stosowania klejów.

Istotnym aspektem jest również odpowiednia wytrzymałość mechaniczna – elektrody są w stanie utrzymać przewody transmisyjne bez odklejania się od powierzchni skóry. Co więcej, ich usunięcie nie powoduje bólu ani uszkodzeń naskórka, co ma szczególne znaczenie w populacjach wrażliwych, takich jak osoby starsze czy pacjenci przewlekle chorzy.

Wyniki badań przedklinicznych

W badaniach typu proof-of-concept nowe elektrody porównano z konwencjonalnymi systemami monitorowania EKG. Testy przeprowadzono z wykorzystaniem zarówno komercyjnych urządzeń EKG stosowanych w praktyce klinicznej, jak i eksperymentalnych systemów bezprzewodowych opracowywanych przez zespół badawczy.

Uzyskane wyniki wykazały porównywalną jakość sygnału w stosunku do standardowych elektrod, co potwierdza funkcjonalność opracowanego materiału. Co istotne, kompatybilność z różnymi platformami sprzętowymi wskazuje na szerokie możliwości implementacyjne tej technologii.

Potencjalne zastosowania i perspektywy rozwoju

Choć opracowany materiał został zaprojektowany przede wszystkim z myślą o zastosowaniach w elektrokardiografii, jego właściwości sugerują możliwość wykorzystania również w innych obszarach biomonitorowania, takich jak elektromiografia (EMG) czy elektroencefalografia (EEG).

Z punktu widzenia translacji do praktyki klinicznej kluczowe znaczenie ma fakt, że materiał może być produkowany przy użyciu istniejących procesów przemysłowych. Otwiera to drogę do wdrożenia rozwiązania na dużą skalę (wysoka skalowalność produkcji) oraz potencjalnej redukcji kosztów.

Równolegle prowadzone są działania związane z ochroną własności intelektualnej oraz poszukiwaniem partnerów przemysłowych, co wskazuje na zaawansowany etap rozwoju technologii.

Źródło: Advanced Electronic Materials, Self-Adhesive Conductive Elastomers for Gel-Free Biopotential Recording
DOI: http://dx.doi.org/10.1002/aelm.202600004