Vanaf het moment dat de ochtendzon door de gordijnen schijnt tot het controleren van uw gezondheid op uw smartphone, zullen huidklevende draagbare nanoapparaten een revolutie teweegbrengen in onze gezondheidszorg en medische behandelingen door nanotechnologie en halfgeleiderprocessen te combineren. Deze apparaten zullen gemakkelijke en efficiënte gezondheidszorg bieden met flexibele materialen, een laag energieverbruik en realtime detectie en behandeling van ziekten.
De ochtendzon schijnt door de gordijnen. Je pakt je smartphone om de tijd te controleren en opent de app ‘Gezondheid’. Ik controleer mijn bloedsuikerspiegel, bloeddruk, hartslag en controleer mijn medicatievoorschrift. Deze routine is mogelijk dankzij recente technologische vooruitgang. Vooral als op de huid klevende draagbare nano-apparaten op de markt worden gebracht, zullen we binnenkort op een veel gemakkelijkere en efficiëntere manier wakker kunnen worden. Draagbare apparaten die biometrische informatie kunnen vastleggen en opslaan, kunnen worden aangesloten op een smartphone of computer om uw gezondheid in realtime te bewaken en te beheren. Vooruitgang in de techniek brengt deze technologie van de films naar de echte wereld vlak voor onze ogen.
Draagbare apparaten zijn meer dan alleen elektronische apparaten die kunnen worden gedragen; het zijn apparaten die nauw aan het lichaam van de gebruiker zijn bevestigd en daarmee communiceren. Het onderzoek naar draagbare apparaten begon in de jaren zestig in de Verenigde Staten, en toen de industrialisatie in de jaren negentig serieus begon, ontwikkelde de technologie om apparaten voor medische doeleinden te ontwikkelen zich snel. De afgelopen jaren zijn er verschillende manieren geweest om ze te dragen. Deze omvatten accessoire, in kleding geïntegreerd, op de huid bevestigd en biologisch geïmplanteerd. Momenteel hebben nog niet veel van deze apparaten het stadium van commercialisering bereikt, maar gezien hun medische toepassingen zijn op de huid bevestigde draagbare nano-apparaten degenen die het meest gecommercialiseerd moeten worden. Draagbare nanoapparaten die zijn gemaakt door nanotechnologie en halfgeleiderprocessen te combineren, kunnen net zo eenvoudig als een sticker op de huid worden bevestigd, wat grote voordelen heeft bij het verzamelen en gebruiken van biometrische informatie, en een belangrijke medische toepassing heeft.
Huidklevende draagbare nano-apparaten zijn nog maar een paar jaar in ontwikkeling. Een recent voorbeeld is een onderzoek uit 2014 waarin een pleister werd ontwikkeld die bewegingsstoornissen zoals de ziekte van Parkinson kan diagnosticeren en behandelen. Dit onderzoek zal ons helpen begrijpen hoe huidklevende draagbare nanodevices worden gemaakt en toegepast. Er zijn vier hoofdelementen nodig om huidklevende draagbare nanoapparaten te ontwikkelen: materialen die geschikt zijn voor bevestiging aan de huid, sensoren om bewegingsstoornissen te detecteren, een geheugen dat op laag vermogen werkt, en verwarmingstoestellen en medicijnafgifteapparaten voor therapie.
Ten eerste is het ontwikkelen van een flexibel materiaal dat geschikt is voor een rekbare huid het belangrijkste onderdeel van de ontwikkeling van huidklevende nanodevices. Terwijl conventionele elektronische apparaten stijve substraten zoals silicium of glassubstraten gebruiken, gebruiken huidklevende apparaten nanofilms en nanodeeltjes. Nanodeeltjes zijn zeer kleine deeltjes met een diameter van ongeveer 10 tot 9 meter, en dunne films gemaakt van nanodeeltjes zijn erg dun en licht. Door de circuits in de vorm van een veer te plaatsen en op de pleister over te brengen, hecht het nanoapparaat zich aan de huid en behoudt het zijn prestaties, zelfs als het wordt uitgerekt of gebogen.
Ten tweede is er een sensor nodig om bewegingsstoornissen te detecteren. Deze sensor maakt gebruik van siliciumnanofilms, die van bovenaf worden gemaakt om grotere materialen kleiner te maken. De hier gebruikte siliciumnanofilm is een eenvoudig patroon van nanodraden, waarbij gebruik wordt gemaakt van de top-down-methode die doorgaans wordt gebruikt bij het maken van conventionele halfgeleiderapparaten. De weerstand van siliciumnanofilms verandert afhankelijk van de externe kracht die erop wordt uitgeoefend, en de hoeveelheid stroom die erdoorheen vloeit is omgekeerd evenredig met de weerstand. Deze eigenschap kan worden gebruikt om bewegingsstoornissen te diagnosticeren door abnormale bewegingen te meten.
Ten derde is er niet-vluchtig geheugen nodig om de gemeten ziektegegevens op te slaan. Het gebruik van hoog vermogen in een dunne patch met behulp van nanofilms is echter niet stabiel, dus het geheugen moet ook op laag vermogen werken. Dit onderdeel is vervaardigd met behulp van titaniumdioxide-nanofilms gemaakt met behulp van een top-down-methode en gouden nanodeeltjes gemaakt met behulp van een bottom-up-methode. In het geheugen moet tussen de twee elektroden een laag gouden nanodeeltjes aanwezig zijn om de lading vast te houden. Daarom is het erg belangrijk dat de gouden nanodeeltjes in de titaniumdioxide-nanofilm worden gevormd om de lading op te slaan. Wanneer het apparaat zich op nanoschaal bevindt, is nauwkeurigheid vereist omdat een verandering in de grootte van slechts enkele nanometers de eigenschappen ervan aanzienlijk kan veranderen. Bottom-up-methoden creëren, in tegenstelling tot de hierboven beschreven top-down-methoden, nanomaterialen uit een klein aantal moleculen en zijn nauwkeurig op atomaire schaal vergeleken met top-down-technieken.
Ten slotte zijn voor de behandeling een elektronische verwarmer en een medicijnafgifteapparaat nodig. Wanneer afwijkingen in de spierbeweging door de sensor worden gedetecteerd, wordt de elektrische verwarming ingeschakeld om de temperatuur te verhogen. Wanneer de temperatuur een bepaalde temperatuur bereikt, wordt het medicijn dat in de silica-nanodeeltjes is opgeslagen in de benodigde hoeveelheid aan de huid toegediend. Door de kleine omvang van het medicijn in de nanodeeltjes kan het de huid binnendringen en de pijn van injecties elimineren. Het is een zeer nuttige oplossing omdat een tijdige behandeling mogelijk is onmiddellijk nadat de sensor een afwijking heeft gedetecteerd, zonder de noodzaak om een ziekenhuis te bezoeken en een diagnose krijgen van een arts.
Omdat moderne mensen worden blootgesteld aan verschillende ziekten en aandoeningen bij volwassenen, zullen op de huid bevestigde draagbare nano-apparaten een nuttig apparaat zijn om ziekten te voorkomen en de gezondheid te beheersen door ze eenvoudigweg op de huid te bevestigen. Een paar dagen geleden maakte het Institute of Basic Science bekend dat het een ‘bloedglucosepleister’ heeft ontwikkeld die de bloedglucose kan meten en controleren met een elektronische huid van grafeen die op de huid kan worden bevestigd. Na de prestatie in 2014 werd dit onderzoek gepubliceerd in Nature Nanotechnology, 's werelds meest prestigieuze tijdschrift, en werd het erkend als een technologie die zal bijdragen aan de elektronica-industrie in de gezondheidszorg. We kijken ernaar uit om te zien welke innovatieve draagbare nano-apparaten er in de toekomst zullen ontstaan door nanotechnologie en halfgeleiders te combineren.
De toekomst van draagbare nano-apparaten is grenzeloos. Ze kunnen op verschillende gebieden worden gebruikt, waaronder gezondheidszorg, sport, revalidatie en entertainment. In de sport kan real-time monitoring van de fysieke conditie van atleten hen helpen hun prestaties te maximaliseren, terwijl bij revalidatie het herstel van patiënten tot in detail kan worden gevolgd om een effectievere behandeling te bieden. Op het gebied van entertainment kunnen ze worden gecombineerd met virtual reality (VR) om een meer meeslepende ervaring te bieden. Zoals u kunt zien, hebben draagbare nanoapparaten het potentieel om ons leven te verrijken.
Er zijn echter nog veel uitdagingen die moeten worden aangepakt voordat draagbare nano-apparaten kunnen worden gecommercialiseerd en gepopulariseerd. Allereerst is het belangrijk om hun stabiliteit en duurzaamheid te verbeteren. Omdat de apparaten voor langere tijd aan de huid worden bevestigd, moeten ze vrij zijn van huidirritatie en bijwerkingen en duurzaam genoeg zijn om dagelijkse activiteiten te weerstaan. Bovendien moeten de productiekosten worden verlaagd om ze voor meer mensen toegankelijk te maken. Dit vereist de ontwikkeling van massaproductietechnieken en de verlaging van de materiaalkosten.
Concluderend zullen huidklevende draagbare nano-apparaten een belangrijke rol spelen in de toekomstige gezondheidszorg en medische innovatie. Deze technologieën, die biometrische informatie in realtime kunnen monitoren en beheren, zullen ziektepreventie, vroege diagnose en gepersonaliseerde behandeling mogelijk maken, waardoor onze levenskwaliteit aanzienlijk wordt verbeterd. Vooruitgang op het gebied van nanotechnologie en halfgeleiderprocessen bereidt ons voor op een gezondere en gemakkelijkere toekomst.
