Onderzoekers van ETH Zürich hebben een nieuw type gezondheidsbewakingselektrode ontwikkeld die een optimale hechting aan de huid vertoont en signalen van hoge kwaliteit kan opnemen. Twee jonge spin-off oprichters willen er al dit jaar een verkoopbaar product van maken.

Iedereen die ooit een elektrocardiogram heeft gehad, bijvoorbeeld om hun hartconditie te controleren – zal bekend zijn met de elektroden die de arts op de borstkas bevestigt. Echter, de conventionele elektrodemodellen hebben aanzienlijke nadelen:harde metalen elektroden zijn oncomfortabel om te dragen en zijn niet geschikt voor metingen over langere perioden. Gelelektroden, het type dat het meest wordt gebruikt in de dagelijkse klinische praktijk, veroorzaken vaak huidirritatie of zelfs allergische reacties bij patiënten.

Nutsvoorzieningen, ETH-onderzoekers onder leiding van Janos Vörös, hoogleraar bio-elektronica, en Christopher Hierold, Hoogleraar Micro- en Nanosystemen, een oplossing hebben gevonden. Ze hebben een elektrode ontwikkeld die zo elastisch is als de huid, zodat het nauwelijks opvalt voor de drager. Door de speciale oppervlaktestructuur kunnen signalen van het hart en de hersenen in hoge kwaliteit worden vastgelegd. De onderzoekers publiceerden onlangs details van hun werk in het tijdschrift Geavanceerde materialen voor de gezondheidszorg .

Geïnspireerd door de natuur

Voor de nieuwe elektrode, de onderzoekers gebruikten een zacht materiaal - een niet-irriterend mengsel van siliconenrubber en geleidende zilverdeeltjes - dat voortkwam uit een eerder onderzoeksproject van Vörös' groep. Voor de oppervlaktestructuur de wetenschappers keken voor inspiratie naar de natuur:ze gebruikten het mechanisme waarmee sprinkhanen zelfs op verticale oppervlakken kunnen lopen.

De voetzolen van deze insecten zijn bedekt met talloze kleine kussentjes, die er onder een microscoop uitzien als paddenstoelenkoppen en gerangschikt zijn als een mozaïek. Wanneer ze in contact komen met een ander oppervlak, er ontstaat een adhesief effect, in technische termen bekend als Van der Waals interactie.

De onderzoekers pasten deze microstructuur toe op hun materiaal, het creëren van een elektrode-oppervlak dat aan de huid hecht. In aanvulling, de speciale geometrie op microscopisch niveau maximaliseert het contactoppervlak tussen huid en elektrode, waardoor signalen in zeer hoge kwaliteit kunnen worden opgenomen.

Van de cleanroom naar het zwembad

De onderzoekers maakten de prototypes in een cleanroom met een speciaal ontwikkeld fabricageproces. Ze bedekten een basislaag met twee verschillende verven en bedekten deze met een precies geperforeerd masker. Vervolgens, ze stelden het monster bloot aan licht, waardoor de bovenste lichtgevoelige verf direct onder de perforaties oplosbaar was. Volgende, ze dompelden het onder in een chemische oplossing die eerst de oplosbare delen van de bovenste verflaag aanviel, voordat hij zich een weg baant naar de tweede verflaag. In dit stadium, de onderzoekers stopten het afbraakproces precies op het juiste punt om de gietvorm te maken met niets anders dan omgekeerde paddenstoelenkoppen. Wanneer gegoten, dit leverde een specifiek gestructureerd zelfklevend elektrode-oppervlak op.

Om te controleren of de elektroden ook onder moeilijke omstandigheden werken, de onderzoekers testten ze op een zwemmer. Vanwege de waterbestendigheid en de krachtige bewegingen die gepaard gaan met zwemmen, dit wordt beschouwd als een bijzonder uitdagende discipline voor prestatiebewaking door middel van elektroden. De resultaten waren indrukwekkend:de kwaliteit van de signalen die door de nieuwe elektroden werden geregistreerd, was beduidend beter dan die van de gelelektroden die ook door de zwemmer werden gedragen. Ondertussen, De reddingsdienst voor het meer van Zürich heeft al interesse getoond in de nieuwe elektroden en gebruikt ze als onderdeel van een lopend onderzoek.

Naast elektroden voor het opnemen van hartminuutvolume (elektrocardiogrammen of ECG), de onderzoekers hebben ook een elektrode ontwikkeld voor het meten van hersensignalen, bekend als elektro-encefalografie (EEG). De materiaalcombinatie is hetzelfde voor beide typen elektrode, maar de structuren verschillen:de EEG-elektroden hebben de zelfklevende microstructuur niet nodig, zoals ze zijn bevestigd met een dop. In plaats daarvan, hun oppervlak is uitgerust met verschillende puistjes van twee tot vier millimeter hoog die zelfs door dik haar contact met de hoofdhuid mogelijk maken. Dus, scheren en gel zijn niet nodig.

Volgende stap:industrialisatie

Severine Chardonnens en Simon Bachmann, twee van de auteurs van de studie, waren vanaf het begin overtuigd van het marktpotentieel van dergelijke elektroden. Nog voordat ze hun masterdiploma hebben behaald, ze gingen door met het idee om hun eigen bedrijf op te richten - en ze waren succesvol:de twee getalenteerde jonge wetenschappers werden toegelaten tot de financieringsprogramma's Venture Kick en CTI en hebben al heel wat startkapitaal verzameld via start-upcompetities.

Na de succesvolle ontwikkeling van de prototype-elektrode en de officiële oprichting van IDUN Technologies als een ETH-spin-off in november 2017, Chardonnens en Bachmann evalueren nu op welke toepassing ze zich het eerst moeten concentreren. Ze voeren intensieve discussies met verschillende industriële partners en onderzoeksgroepen. "Commercialisering is de moeite waard in toepassingen waar de nieuwe elektroden de grootste voordelen bieden ten opzichte van bestaande modellen, ", zegt Bachmann. "We zien potentieel in de langetermijnmonitoring van patiënten, in sportprestatiemonitoring en in de EEG-markt."

Nadat de kwestie van de strategische oriëntatie is opgelost, Chardonnens zal zich in haar rol als hoofdontwikkelaar richten op het proces van industrialisatie, terwijl Bachmann zich in zijn hoedanigheid als CEO voornamelijk zal concentreren op het verwerven van partners en klanten. "Als alles volgens plan verloopt, al dit jaar kunnen we de eerste elektroden verkopen, ', zegt Chardons.