Датчик открывает путь для разработки устройств — возможно, похожих на фитнес-трекеры, такие как Fitbit, — которые люди могут носить, а затем знать, когда и в какой дозировке принимать лекарства.«Наша цель — разработать устройство, которое человек, страдающий астмой или другим респираторным заболеванием, может носить на шее или на запястье и периодически дуть в него, чтобы предсказать начало приступа астмы или других проблем», — сказал Мехди Джаванмард, доцент. на кафедре электротехники и вычислительной техники. «Это продвигает область персонализированной и точной медицины».
Джаванмар и разнообразная команда экспертов из Рутгерса-Нью-Брансуика описывают свое изобретение в исследовании, опубликованном сегодня в Интернете в журнале Microsystems. Наноинженерия.
Астма, которая вызывает воспаление дыхательных путей и препятствует воздушному потоку, поражает около 300 миллионов человек во всем мире. В 2014 году в США около 17,7 миллиона взрослых и 6,3 миллиона детей была диагностирована астма. Симптомы включают кашель, хрипы, одышку и стеснение в груди.
Другие серьезные заболевания легких включают хроническую обструктивную болезнь легких (ХОБЛ), которая включает эмфизему и хронический бронхит.Современные неинвазивные методы диагностики и мониторинга астмы ограничены в характеристиках природы и степени воспаления дыхательных путей и требуют дорогостоящего и громоздкого оборудования, которое пациенты не могут легко носить с собой. Эти методы включают спирометрию, которая измеряет способность дышать, и определение оксида азота в выдыхаемом воздухе, индикатора воспаления дыхательных путей.
В исследовании говорится, что существует острая необходимость в улучшенных, минимально инвазивных методах молекулярной диагностики и мониторинга астмы.Измерение биомаркеров в конденсате выдыхаемого воздуха — крошечных капельках жидкости, выделяющихся во время дыхания, — может способствовать пониманию астмы на молекулярном уровне и привести к целенаправленному лечению и более эффективному управлению заболеванием.
Миниатюрный электрохимический датчик исследователей Рутгерса точно измеряет содержание нитритов в конденсате выдыхаемого воздуха с использованием восстановленного оксида графена. Восстановленный оксид графена устойчив к коррозии, обладает превосходными электрическими свойствами и очень точно определяет биомаркеры.
Графен — это тонкий слой графита, который используется в карандашах.«Уровень нитритов в конденсате дыхания является многообещающим биомаркером воспаления в дыхательных путях. Наличие быстрого и простого метода его измерения может помочь астматику определить, влияют ли на него загрязнители воздуха, чтобы он мог лучше контролировать прием лекарств и физическую активность», — сказал он. сказал Клиффорд Вайзел, соавтор исследования и профессор Института наук об окружающей среде и гигиене труда Рутгерса (EOHSI). «Его также можно использовать в кабинете врача и отделениях неотложной помощи для контроля эффективности различных противовоспалительных препаратов с целью оптимизации лечения».«Увеличение воспаления дыхательных путей может быть ранним предупреждающим признаком повышенного риска приступа астмы или обострения ХОБЛ, что позволяет применять более ранние и более эффективные профилактические меры или лечение», — сказал Роберт Лаумбах, соавтор исследования и специалист в области медицины труда и окружающей среды. врач EOHSI.
«Просто глядя на кашель, свистящее дыхание и другие внешние симптомы, точность диагностики часто бывает низкой, поэтому идея постоянного мониторинга биомаркеров может привести к смене парадигмы», — сказал Джаванмард, работающий в Школе инженерии. «Возможность выполнять количественное определение содержания нитритов в конденсате выдыхаемого воздуха без указания этикеток за один этап без предварительной обработки образцов устраняет ключевое узкое место на пути к портативному лечению астмы».По его словам, следующим шагом будет разработка портативной носимой системы, которая может быть коммерчески доступна в течение пяти лет. Исследователи также предполагают увеличить количество биомаркеров воспаления, которые устройство может обнаруживать и измерять.
«Только в США наблюдается рост аллергии, воспаления, астмы и различных респираторных заболеваний, поэтому устройства, которые могут помочь диагностировать, контролировать и управлять этими состояниями, будут пользоваться большим спросом», — сказал Джаванмард.