طور علماء في جامعة ولاية بنسلفانيا حبرًا موصلًا يمكن رسمه مباشرة على الجلد بتصاميم ملونة مخصصة، ليتحول بعد الجفاف إلى قطب كهربائي وظيفي للمراقبة الحيوية. وصفوا عملهم في ورقة بحثية جديدة نُشرت في وقائع الأكاديمية الوطنية للعلوم (PNAS).

كما ورد سابقًا، فإن الإلكترونيات الجلدية الملتصقة بالجلد عبر الوشوم المؤقتة (الوشوم الإلكترونية) موجودة منذ أكثر من عقد. تتصل هذه الوشوم الإلكترونية بالجلد دون مواد لاصقة، وهي غير ملحوظة عمليًا، وتُثبت عادةً عبر وشم مؤقت، مما يسمح بإجراء قياسات كهربائية (وقياسات أخرى مثل درجة الحرارة والإجهاد) باستخدام بوليمرات فائقة الرقة تحتوي على عناصر دوائر مدمجة. ومع ذلك، فهي لا تعمل بشكل جيد على الأسطح المنحنية و/أو المشعرة، وتتطلب تصميمًا مخصصًا لموضع الأقطاب الكهربائية لتغطية مساحات أكبر، لأن الإشارات الحيوية موزعة مكانيًا. لذا أصبح العلماء مبدعين. على سبيل المثال، في عام 2024، طور باحثون أحبارًا موصلة خاصة قائمة على البوليمر يمكن طباعتها على فروة رأس الشخص لقياس موجات الدماغ، حتى لو كان لديه شعر.

عمل لاري تشنغ، مهندس ميكانيكي في ولاية بنسلفانيا وأحد المؤلفين المشاركين في الورقة الجديدة في PNAS، على تصميمات الأقطاب الكهربائية لتطبيقات المراقبة الحيوية لأكثر من 10 سنوات، بما في ذلك تخطيط كهربية الدماغ (EEG) وتخطيط كهربية القلب (ECG) وتخطيط كهربية العضلات (EMG). استخدام مواد صلبة مثل المعادن يجعل المراقب الحيوي مستقرًا، لكنه ينزاح بسهولة عندما يتحرك مرتديه كثيرًا، مثل أثناء التمرين. ظهرت الهيدروجيلات في السنوات الأخيرة كمواد بديلة، لأنها تمتص الماء وتنتفخ وتمتد مع جلد الجسم أثناء الحركة. لكن الهيدروجيلات تتحلل بسرعة وتفقد تلك الفوائد مع الاستخدام المطول. يمكن للعرق أو الشعر أيضًا تقليل دقة تسجيل الإشارات الحيوية، لأن الأقطاب التجارية تُصنع مسبقًا ثم تُطبق على الجلد، مما يخلق فجوة هوائية تضعف قراءات المستشعر.

قرر تشنغ وزملاؤه تطوير حبرهم الموصل لمعالجة هذه المشكلة. خلطوا عدة أنواع مختلفة من البوليمرات والمواد المضافة الحمضية في محلول مائي من الإيثانول/بولي فينيل كحول. وفر PEDOT:PSS - المعروف باسم بولي (3،4-إيثيلين ديوكسي ثيوفين): بولي (ستايرين سلفونات) - التوصيل الكهربائي، إلى جانب DBSA (حمض 4-دوديسيل بنزين سلفونيك)، الذي عمل أيضًا كملدن لإعطاء الحبر مرونة. اختصر الفريق بلطف الاسم المختصر لحبرهم الموصل الجديد إلى WE-PPD. قال تشنغ: "يتصرف الحبر نفسه تقريبًا مثل طلاء الوجه. يبدأ شبه شفاف، لكن يمكنك استخدام ملونات الطعام لتلوين الحبر بأي ألوان تحتاجها لرسم أي تصميم يخطر ببالك - مثل كرتون أو سوبرمان. هذا يسمح لنا بتخصيص الجهاز القابل للارتداء بالكامل حسب تفضيل الشخص." لأن الحبر يملأ تضاريس الجلد، فإن القطب الناتج يتمتع باتصال عالٍ جدًا بالجلد، وبالتالي تسجيل إشارة أفضل. يمكن أيضًا دمجه في نسيج فضي مسامي ودمجه مع أجهزة صلبة.

اختبرت المستشعرات المطلية في المختبر على بشر لمراقبة نشاط القلب أثناء الجري على جهاز المشي ورفع الأثقال؛ والتعرف على الإيماءات للتحكم في يد روبوتية اصطناعية؛ ونشاط الدماغ (EEG)، المراقب عبر الشعر، بينما كان أحد المؤلفين المشاركين يمارس أنشطته اليومية. كانت الأقطاب المطلية قادرة على التمدد حتى 170% قبل الفشل، وفقًا للمؤلفين، وكانت نفاذية بخار الماء أعلى بكثير من الأفلام الطبية القياسية، ولم تسبب أي تهيج للجلد مع الاستخدام المطول. قال تشنغ: "على الرغم من أننا اختبرنا الاستخدام اليومي على مدى 12 ساعة، إلا أن هذا ليس الحد الأقصى لهذه الأقطاب. يمكن غسل الأقطاب نفسها وإعادة تطبيقها بسهولة. الفكرة الكبيرة وراء ذلك هي أنه في المستقبل، يمكن أن يكون لديك وحدة استشعار أكثر تكلفة تظل منفصلة عن النظام، لكن الأقطاب نفسها يمكن التخلص منها. زجاجة واحدة من الحبر يمكن أن توفر مادة كافية لرسم عدة أقطاب."