- Van kleur veranderende inkt kan wijzen op veranderingen in de lichamelijke gezondheid
- Elektronische tatoeages monitoren de bloeddruk en andere vitale functies
- Lichtgevoelige tatoeages
- De toekomst van biosensor-tatoeages
Tatoeages worden steeds populairder, en de tattoo-industrie is de afgelopen twee decennia gestaag gegroeid. Maar tatoeages dienen niet alleen voor cosmetische doeleinden – ze worden ook regelmatig gebruikt in de gezondheidszorg. Zo kunnen ze worden ingezet om littekens van (brand)wonden of huidaandoeningen te bedekken, of om een menselijke tepel na te bootsen na een borstamputatie. Tatoeages kunnen zelfs de mogelijke aanwezigheid van ziekten als diabetes, cystische fibrose, en epilepsie detecteren. Hierdoor zijn medische tatoeages effectiever dan hun voorgangers, de ‘medische alarmarmbanden’. Er zijn allerlei soorten medische tatoeages die voor verschillende doeleinden worden gebruikt. De technologie achter deze tattoos is constant in ontwikkeling, en nu zijn er zelfs slimme ‘biosensor-tatoeages’ om de gezondheid te monitoren.
Medische tatoeages gemaakt met inkt die fluorescerende, colorimetrische biosensoren bevat kan veranderingen in de natrium-, glucose-, en zuurgraad in het lichaam detecteren. Als er veranderingen optreden, verandert de hele tatoeage van kleur.
Van kleur veranderende inkt kan wijzen op veranderingen in de lichamelijke gezondheid
Van bepaalde draagbare apparaten is aangetoond dat ze nuttig zijn voor medische doeleinden. Elektronische armbanden, vergelijkbaar met de armbanden die commercieel worden verkocht als smartwatches en fitnesstrackers, kunnen onze hartslag, lichaamstemperatuur, en andere vitale functies volgen, en sommige meten zelfs hoeveel we transpireren. Er zijn echter wel een aantal beperkingen: de apparaten kunnen kapot gaan, kwijtraken, of de huid irriteren. Als antwoord op de groeiende behoefte aan gezondheidsmonitoring vanuit huis – zoals screening op aandoeningen als leverfalen voor een vergrijzende, grotendeels aan huis gebonden bevolking – ontwikkelen steeds meer bedrijven technologieën om oplossingen voor deze uitdagingen te bieden. Een voorbeeld hiervan is colorimetrische inkt, die wordt ingezet als diagnostische biosensor en reageert op veranderingen in de onderhuidse vloeistof die voedingsstoffen levert aan cellen. Wetenschappers van MIT en Harvard werkten samen aan het DermalAbyss-project, waarbij deelnemers medische tatoeages kregen met inkt die fluorescerende, colorimetrische biosensoren bevat. Die biosensoren kunnen veranderingen in de niveaus van stoffen als natrium en glucose in de vloeistof rondom cellen detecteren, en ook de zuurgraad meten (aan de hand van de pH). Wanneer hierin veranderingen optreden, verandert ook de hele tatoeage van kleur. Dit maakt constante monitoring van veranderingen in het lichaam mogelijk, zonder interstitiële vloeistof te moeten afnemen en een traditionele pH-test uit te voeren. Het lijkt er ook op dat deze methode nauwkeuriger is dan de momenteel veelgebruikte biosensoren die zweetgehaltes koppelen aan analytniveaus. De wetenschappers geloven dat de toepassing van deze techniek kan helpen bij het monitoren van aandoeningen als diabetes en uitdroging. Alle informatie wordt automatisch geregistreerd en opgeslagen op een bijbehorende smartwatch, en vervolgens waar nodig voorgelegd aan zorgverleners. Ook vaccinaties kunnen via tatoeages worden toegediend, omdat de immuunrespons die wordt gestimuleerd door het zetten van tatoeages groter is dan die van intramusculaire injecties.
Elektronische tatoeages monitoren de bloeddruk en andere vitale functies
Het meten van de bloeddruk buiten een medische omgeving kan moeilijk en onhandig zijn. Van oudsher worden hiervoor strakke manchetten gebruikt, maar onderzoekers van de Texas A&M University en de University of Texas in Austin hebben samen een project opgezet dat tot een doorbraak in bloeddrukmonitoring heeft geleid. De onderzoekers hebben een elektronische tatoeage ontwikkeld die continu de bloeddruk meet op een discretere en nauwkeurigere manier dan bestaande apparaten. Deze tatoeage wordt bewaard in een flexibel, kneedbaar materiaal dat de sensoren beschermt en onder de huid wordt aangebracht. Volgens de onderzoekers is de tatoeage “gewichtloos en onopvallend… je ziet hem niet eens en hij beweegt niet”. De tatoeage stuurt elektrische stromen door de huid en monitort vervolgens de bio-impedantie (de reactie van het lichaam op deze stroom), die sterk samenhangt met de bloeddruk. Deze bloeddrukmetingen worden vervolgens geanalyseerd met behulp van een op maat gemaakt machine learning-model.
Afdrukbare elektronische tatoeages worden ook steeds geavanceerder. Kleinere en flexibelere biosensoren zijn effectiever en minder invasief, en de vooruitgang in de printtechnologie stimuleert de ontwikkelingen op dit gebied. Onderzoekers van Duke University hebben een methode ontdekt om elektronica direct op de juiste plaats te printen, zelfs op oppervlakken die zo gevoelig zijn als de menselijke huid. Het team gebruikte materialen als een hexagonale boornitride-inkt die verantwoord kan worden bedrukt bij lage temperaturen, en een zilveren nanodraadinkt die direct na het printen geleidend is, zelfs bij kamertemperatuur. Deze methode lijkt een doorbraak te zijn in het verantwoord en nauwkeurig aanbrengen van elektronische tatoeages voor medische doeleinden. In de woorden van Duke University-promovendus Nick Williams: “De 2D-structuur van hexagonaal boornitride zorgt ervoor dat dit materiaal onmiddellijk na het printen isoleert zonder verdere nabewerking”. Dit is een grote stap vooruit ten opzichte van traditionele methoden voor het creëren van elektronica, die “vele, vele verwerkingsstappen vereisen… zelfs met simpele, goedkope fabricageprocessen, zoals geprinte elektronica, zijn er veel vervolgstappen die na het plaatsen genomen moeten worden om het gewenste resultaat te bereiken”. Het onderzoek van het team zou “korte termijn, niet-invasieve monitoring van de vitale functies van de patiënt” in de hele gezondheidszorg mogelijk kunnen maken.
UV-gevoelige tattoo-inkt is een nieuwe cosmetische trend, maar is ook geschikt voor bepaalde medische toepassingen. UV-gevoelige tatoeages kunnen bij blootstelling aan de zon door de intensiteit van de gloed van de UV-inkt aangeven wanneer iemand schaduw nodig heeft of zich moet insmeren
Lichtgevoelige tatoeages
Lichtgevoelige tatoeages worden steeds geavanceerder. Eén ontwerp, dat momenteel wordt ontwikkeld door professor David Kaplan en zijn team aan de Tufts University, maakt gebruik van een heel dunne schijf die onder de huid wordt ingebracht, net als bij het zetten van tatoeages. De schijf is gemaakt van het biologisch afbreekbare, biocompatibele materiaal ‘fibroïne’. Daaraan wordt een PdBMAP-verbinding toegevoegd, die gloeit tijdens blootstelling aan licht. Deze sensor kan na een periode van enkele weken tot meerdere maanden op natuurlijke en veilige wijze in het lichaam oplossen. De gloed die ontstaat bij blootstelling aan infrarood licht laat de zuurstofniveaus zien in de onderhuidse vloeistof om de sensor heen. Het is aangetoond dat deze niveaus overeenkomen met die van zuurstof in de bloedbaan, en die kennis kan worden gebruikt om de toestand van het bloed en de mogelijke aanwezigheid van verschillende gezondheidsproblemen te controleren.
UV-gevoelige tattoo-inkt is een nieuwe cosmetische trend, maar heeft ook potentiële medische toepassingen. UV-gevoelige tatoeages kunnen bij blootstelling aan de zon door de intensiteit van de gloed van de UV-inkt aangeven wanneer iemand schaduw nodig heeft of zich moet insmeren. Overmatige blootstelling aan de UV-straling van de zon is gekoppeld aan minstens drie soorten huidkanker, en een derde van de Amerikaanse bevolking meldt dat ze elk jaar verbranden door de zon. Het is vaak moeilijk om te bepalen wanneer je risico loopt om te verbranden totdat je huid daadwerkelijk rood begint te worden. UV-tatoeages kunnen ruim voordat je lichamelijke symptomen krijgt een hoge blootstelling aan straling detecteren, waardoor je kunt voorkomen dat je verbrandt
De toekomst van biosensor-tatoeages
Wetenschappers erkennen dat er enkele beperkingen zijn met biosensor-tatoeages, maar geloven dat deze opgelost kunnen worden dankzij de snelle technologische vooruitgang. Tot nu toe wordt bij proeven met colorimetrische tatoeages varkenshuid gebruikt, die qua samenstelling sterk lijkt op de menselijke huid, maar niet identiek is. Onderzoek door het biotechnologieprogramma van UC Davis suggereert dat verdere proeven nodig zijn om te bewijzen dat de technologie ook bij mensen zal werken. Het team is echter van mening dat de huidige obstakels – het verantwoord en stabiel kunnen omkeren van de sensoren voor glucose en albumine – waarschijnlijk overwonnen kunnen worden door bepaalde nieuwe ontwikkelingen, waaronder meer geavanceerde kleurstoffen. En dan is er nog de mogelijkheid van geavanceerde ‘micro-injectie’ in plaats van meer traditionele ‘tatoeage-apparaten’. Nieuwe materialen en methoden voor inktafgifte kunnen de betrouwbaarheid en nauwkeurigheid van colorimetrische tatoeagetechnologie vergroten.
De mogelijke toepassingen van biosensor-tatoeagetechnologie gaan zelfs verder dan de medische. Bill Gates, medeoprichter van Microsoft, is van mening dat elektronische biosensor-tatoeages uiteindelijk bepaalde toepassingen van smartphones zullen overnemen. Technologiebedrijf Chaotic Moon, gevestigd in de VS, heeft tatoeage-inkt ontwikkeld met ‘nanotrackers’, wat de aandacht van Gates heeft getrokken. Deze nanotrackers kunnen nauwkeurig gegevens vastleggen, ontvangen, opslaan, en verzenden, en zelfs hun eigen ‘medische rapporten’ samenstellen die we vervolgens in ons lichaam ronddragen. De trackers kunnen automatisch meldingen naar smartphones sturen om dragers te waarschuwen voor de mogelijke aanwezigheid van infecties of andere gezondheidsproblemen. Hoewel de technologie momenteel alleen voor medische doeleinden wordt gebruikt, kan deze binnenkort ook voor vele andere doeleinden interessant zijn. Binnen de sport, bijvoorbeeld, voor het bewaken van vitale functies en het optimaliseren van de prestaties van atleten. Gates gelooft dat deze biosensor-tatoeages uiteindelijk zullen worden ingezet voor geolocatie- en communicatiedoeleinden. Dragers kunnen berichten en locatierapporten naar andere dragers sturen, waardoor de traditionele smartphone mogelijk overbodig wordt.
Ook op het gebied van nanotechnologie kunnen biosensor-tatoeages worden toegepast. Een onderzoek uit 2021, gepubliceerd in het wetenschappelijke tijdschrift Advanced Functional Materials, wees uit dat de integratie van e-tatoeages met tribo-elektrische nanogeneratoren (of TENG’s) mogelijkheden biedt voor draagbare nanogeneratoren die menselijke beweging omzetten in elektriciteit. Dit zouden de eerste draagbare apparaten (inclusief IoT-apparaten) zijn die rechtstreeks door het lichaam zelf worden aangedreven. De onderzoekers ontwierpen zelfs een TENG-apparaat waarmee een kleine elektrische auto op afstand kan worden bestuurd door de drager door op onderhuidse pijlen te tikken.
Biosensor-tatoeages klinken misschien als sciencefiction, maar de technologie is bijna geavanceerd genoeg om een vast onderdeel van ons dagelijks leven te worden, net als smartphones en het internet.
Tot slot
Biosensor-tatoeages klinken misschien als sciencefiction, maar de technologie is inmiddels bijna geavanceerd genoeg om een vast onderdeel van ons dagelijks leven te worden, net als smartphones en internet. De eerste noemenswaardige stappen in de biosensor-tatoeagetechnologie zijn op medisch gebied, en we zullen daar waarschijnlijk nieuwe ontwikkelingen zien voordat de technologie zich verder vertakt. Toenemend gebruik van biosensor-tatoeages voor het monitoren van de gezondheid kan bijdragen aan een verbeterde volksgezondheid en de druk op de gezondheidszorg verminderen, omdat gezondheidsproblemen hiermee gedetecteerd en aangepakt worden voordat ze verergeren.
