Neue Elektroden für stabile Herzstrommessungen unter Wasser
Sogenannte Wearables, also diese kleinen tragbaren Geräte wie Smartwatches, Fitness-Armbänder, Brustgurte etc., erfreuen sich gerade unter Sportlern größter Beliebtheit. Herzfrequenz, Blutdruck und Puls werden über optische Sensoren gemessen, sind aber in der Regel nicht sehr genau. Will man darüber hinaus im beziehungsweise unter Wasser messen, sind optische Messungen gar nicht mehr möglich, auch gelbasierte Elektroden scheitern an der fehlenden Klebekraft.
Genau an dieser Stelle setzen die Forschungen an der Nanyang Technological Universität in Singapur ein. Die Forscher haben ein System entwickelt, mit dem sie über spezielle flexible Elektroden dauerhaft Herzströme unter Wasser überwachen können. Die große Herausforderung bestand darin, die Elektroden sowohl leitfähig als auch mit dauerhafter Klebekraft unter Wasser herzustellen.
Dies gelang ihnen, in dem sie Dopamin methacrylamid (DMA), Acrylsäure (AA) und Methoxyethyl acrylat (MEA)-Monomere copolymerisierten. Dies führte zu einem Zufallspolymer, das auf eine Goldoberfläche (Au/Polydimethylsiloxan (PDMS)) aufgebracht wurde. Daraus entstand eine wasserresistente Elektrode, bestehend aus einem Verbund aus dem Copolymer, dem Gold und dem PDMS.
Die Dopamin enthaltene Einheit sorgt hier für die Klebekraft unter Wasser, während die Acrylsäure AA dem Ganzen die ionische Leitfähigkeit verleiht, da es in Wasser deionisiert und es dem klebenden Polymer ermöglicht, elektrophysiologische Signale sowohl zu empfangen als auch weiterzuleiten. Das Methoxyethyl acrylat MEA schützt dabei das Copolymer vor Zerstörung, indem es ein wasserstabiles Gerüst bildet.
Diese Elektroden haften in Gegenwart von Wasser über einen langen Zeitraum fest auf der Haut und sind stabil leitfähig. Beim Trocknen lassen sich die Elektroden dann wieder rückstandslos von der Haut ablösen und können wiederverwendet werden. Gute Biokompatibiliät und keinerlei Hautirritationen weisen auf ein großes Potential hin. Die Klebekraft lag bei den Untersuchungen noch in einem Zeitraum bis zu 40 min, aber hieran wird weiter geforscht.
Somit ist es möglich, während des Schwimmens oder auch unter Wasser stabil und zuverlässig elektrophysiologische Daten über die Haut zu empfangen und weiterzuleiten. Es ist dabei nur eine Frage der Zeit, bis diese Funktionalitäten in Smartwatches Einzug halten und die kleinen tragbaren Geräte für gesundheitsbewusste Personen bald unverzichtbar werden.
Autor: Dr. Ronald Hinz, Market Intelligence Senior Expert, SVP Deutschland AG
Quelle: Dr. S. Ji, Dr. C. Wan, Dr. T. Wang, Dr. Q. Li, Dr. G. Chen, Dr. J. Wang, Dr. Z. Liu, Prof. X. Chen Innovative Centre for Flexible Devices, School of Materials Science and Engineering, Nanyang Technological University, Singapore; DOI: 10.1002/adma.202001496
