皮膚に直接印刷するバイオセンサーがもたらすウェアラブル技術の進歩

ウェアラブルなバイオセンサーは、これまでも何らかの形で存在していました。しかし新しい技術では、他のデバイスや粘着テープを扱う必要なく、皮膚に直接バイオセンサーを印刷することができます。これは、医療の世界に多大な影響を与える可能性があります。

ウェアラブルバイオセンサーが必要とされる理由

皮膚は体の中で最も大きな器官であり、医師に多くの情報を伝えています。皮膚の色調や色の変化、体温、病変やさまざまな発疹などの適応症など、すべてが体内で何が起こっているかを医師に伝えることができます。しかし、視覚や触覚では確認できない、皮膚やそこから分泌される汗や皮脂に現れる症状も少なくありません。そこで活躍するのがバイオセンサーです。

看護師は患者の体温を測り、それを記録することはできますが、継続的に体温を測り、体温の上昇や下降を正確に確認することは、どれほど有益なことでしょうか。心拍数やその他のバイタルサインも同様で、医師が患者の近くにいなくてもチェックすることができます。実際、ウェアラブルセンサーの中には、医師の診察が必要となるような異常や問題が発生した場合、医師と患者に警告を発するように設定されているものもあります。

しかし、これまでバイオセンサーを身につけることにはいくつかの問題がありました。

ウェアラブルセンサーの歴史

Fitbitやその他のタイプのスマートウォッチに多くの人が慣れ親しんでいます。これらのスマートウォッチは、ブレスレットにセンサーを搭載し、動き回りながらさまざまなバイタルサイン（心拍数、歩数、睡眠の状態など）をモニターすることができます。これらは便利ではありますが、医療用というよりは個人用としての意味合いが強かったようです。しかし時が経つにつれ、心房細動の有無を知らせる「Apple Heart Study」のようなアプリが追加され、スマートウォッチやその他のブレスレットはより便利になりました。

また、実際の生地にナノセンサーを組み込んだスマートウェアが開発され、あらゆる体型の患者を追跡できるようになりました。糖尿病患者用の靴下は、足をモニターし、足の温度が上昇して炎症が起きていることを医師に知らせます。炎症は感染症や怪我の兆候である可能性があるため、足のダメージを感じない糖尿病患者が、足を切断する状況になるまで悪化することを防ぐのに非常に役立ちます。

元々、皮膚を利用したバイオセンサーはより侵襲的でグルコースのモニタリングなどに使用されてきました。このバイオセンサーでは、中実または中空のマイクロニードルを使用して間質液を採取し、デバイス（通常は下側に針が付いたウェアラブルな皮膚パッチ）が継続的に血糖値をモニターすることができ、必要に応じてインスリンポンプを刺激してインスリンの量を増やすことができるのです。

次のステップは、皮膚に密着しながらも、汗が膜を貫通してデバイスの実際のセンサー部分に到達するような、印刷されたバイオセンサーを作ることでした。このタイプのバイオセンサーは、非侵襲的で使いやすいとはいえ、剥がして皮膚に貼り付ける必要があり、貼り付け中に引っかかったり、ダメになったりすることがあります。また、皮膚から剝がれやすく、誤った診断をしてしまう可能性もあります。

さらに、バイオセンサーシールは、剥がしにくい時や勝手に剥がれてしまうことがあること、粘着剤が皮膚に刺激を与えることなどが問題点として挙げられます。今こそ、新しい技術が求められているのです。

皮膚に印刷するバイオセンサーの課題とリスク

紙やプラスチックに印刷することと、皮膚に印刷することは全く違う問題です。バイオセンサーには金属部品が使われているため、これまでは印刷する前に金属を高温にしなければならず、皮膚に火傷を負わせることなく印刷することはできませんでした。

ペンシルバニア州立大学のLarry Cheng氏が率いる米国と中国の科学者たちは、ポリビニルアルコールや炭酸カルシウムの成分を含んだペーストを皮膚に塗布することで、病気の患者の皮膚を焼くことなく、皮膚に直接印刷できる技術を開発しました。このペーストに、銅、金属塩、酸化マグネシウム、アルミニウムなどのナノ粒子を加えることで、センサーの印刷に必要な温度を大幅に下げることができるのです。

次に、皮膚に塗布されたペーストの上に、銀ナノ粒子を使ったセンサーを室温で印刷した後、冷風を吹き付けて水分を除去します。これにより、センサーが肌に密着し、画像がより長持ちするようになるのです。

まだ試作品の段階ですが、この技術は、主に心肺機能が低下した患者がさらなる治療を必要としているかどうかを検出します。 実際、Covid-19の患者さんの場合、バイオセンサーがあれば、医師が治療を施すタイミングを正確に判断し患者が問題を起こし始めた瞬間を捉えることができます。

このセンサーは、体温、水分補給、血中酸素飽和度、さらには心電図信号のモニタリングに最適です。将来的には、アスリートや、危険な場所で働く人にも使用されるかもしれません。今回、皮膚に直接印刷する方法が確立されたことで、状況に応じてセンサーの機能を拡張することができるようになりました。

しかし、そもそもなぜ皮膚の上にセンサーを印刷することが重要なのでしょうか？それは、皮膚に張り付けられたバイオセンサーは精度が低く、接触の際に隙間ができる可能性があるからです。直接印刷することで、完璧な接触を実現し可能な限り高い精度を得ることができます。

センサーの取り外しは、お湯で簡単に洗い流せるので肌を傷めずに済みます。また、冷たい水の中にさらされてもその機能は安定しているので、泳いだり、冷たいシャワーを浴びたりしても心配ありません。

継続的に患者をモニターできるということは、医師がより多くの患者を帰宅させても、その様子を見守ることができるということです。遠隔操作で何かアラームが鳴れば、医師は助けを呼んだり、患者さんに来てもらったりすることができます。

バイオセンサーは、医療現場での重要性が増していることは確かで、医療従事者にとって当たり前のものになる日も近いと思われます。しかし、それ以外にもさまざまな用途があります。印刷可能なバイオセンサーが運動能力を向上させる役割を果たすようになる日が来ても不思議ではありません。