Wizyta u lekarza, pobranie i analiza krwi lub inne badania laboratoryjne pokazują stan zdrowia w danej chwili. Tymczasem organizm nieustannie się zmienia: inaczej stawiamy stopy po urazie biodra, skład potu zależy od wysiłku, a odczyn rany może ostrzegać o nieprawidłowym gojeniu. Zespół z Politechniki Warszawskiej pracuje nad zamianą - obecnie utrudnionej - analizy stanu zdrowia w żywy strumień informacji zbieranych przez tani czujnik, którego pacjent niemal nie zauważa w codziennym życiu. Jednym z pierwszych kroków był opisany w 2016 r. (Drukowane czujniki biomedyczne powstają na PW) sensor pulsu, naklejany na nadgarstek jak tymczasowy tatuaż. Podobne urządzenia miały kiedyś badać pot i wysyłać wyniki do telefonu. Choć czujniki chemiczne działały wówczas tylko na laboratoryjnym stole, była to obietnica medycyny wychodzącej z gabinetu razem z pacjentem.

Kolejne lata pokazały, dlaczego droga do takich rozwiązań jest tak ambitna i skomplikowana. Czujniki drukuje się z użyciem specjalnych past, które pełnią funkcję elektronicznego atramentu. Zawierają one m.in. drobiny grafenu nadające powstającej warstwie odpowiednie właściwości elektryczne. Pasta musi jednak przejść przez drobne otwory sita drukarki, a następnie pozostać dokładnie w wyznaczonym miejscu na elastycznej folii lub innym materiale. Nanomateriały w atramencie powinny ułożyć się tak, aby przewodzić prąd, ale jednocześnie umożliwiać kontakt z badaną substancją. Trzeba też zagwarantować, że każdy z tysiąca wydrukowanych czujników będzie działał podobnie. Zespół badaczy przez kilka lar uczył się więc dobierać skład i gęstość past, nanosić kolejne warstwy oraz kontrolować jakość druku. Bez tego obiecujący prototyp pozostałby jedynie laboratoryjnym pokazem możliwości. Pomysł zaczął jednak przybierać już konkretne formy.

W projekcie EUKINES zbudowano cienką wkładkę do butów z ośmioma drukowanymi polami mierzącymi nacisk stopy. Elektronika tworzy w tym rozwiązaniu na żywo mapę obciążenia. Już dziś może pokazać fizjoterapeucie, czy pacjent po operacji nadal oszczędza jedną nogę, a w przyszłości będzie w stanie podpowiadać choremu, jak poprawić chód. Prototyp sprawdzono najpierw na 25 dorosłych ochotnikach. Szli na bieżni przez około minutę z prędkością 2 km/h, a wskazania porównywano z komercyjnym systemem Medilogic. EUKINES dawał stabilny sygnał i podobne wartości średniego obciążenia stóp. Nie wystąpiły zdarzenia niepożądane ani awarie przerywające próbę, choć czasem fałdująca się wkładka powodowała lekki dyskomfort.

Następnie przeprowadzono właściwe badanie kliniczne. W afiliowanym oddziale ortopedycznym Collegium Medicum UKSW w Warszawie uczestniczyło 200 pacjentów po wszczepieniu endoprotezy biodra. Losowo trafili do grup korzystających z EUKINES z informacją zwrotną lub bez niej, z certyfikowanego systemu porównawczego albo z rehabilitacji bez urządzenia. Przez sześć tygodni oceniano m.in. obciążanie operowanej nogi, symetrię chodu, ból i sprawność biodra. Badanie zakończyło się w listopadzie 2025 r.

To jednak nie wszystko. W projekcie EUKINES opracowano również elektroniczne tatuaże zdolne mierzyć aktywność wysiłkową z ludzkiego potu. Proste, wygodne urządzenie z drukowanymi sensorami pH oraz mleczanów pozawala na analizę w czasie rzeczywistym tego, jakie mechanizmy zachodzą w ludzkim ciele na przykład podczas biegu lub intensywnych ćwiczeń.

Finansowany przez NCBR EUKINES, wart niemal 10 mln zł, połączył Politechnikę Warszawska i Uniwersytet Kardynała Stefana Wyszyńskiego w Warszawie z firmami: NovelInks, wytwarzającą materiały do elektroniki drukowanej oraz skalującą technologie druku, oraz Talkin’ Things, produkującą moduły komunikacji elektronicznej oraz znaczniki RFID i NFC. Powstały zgłoszenia patentowe dotyczące czujnika pH i wkładki. To realne przygotowania do wdrożenia.

Ten sam zespół badawczy z Politechniki Warszawskiej ma jeszcze inne osiągnięcia w zakresie elektroniki drukowanej do zastosowań medycznych. Już w 2022 r. powstał projekt SmartHEAL – opatrunek z sensorem pH, który bez odklejania miałby pozwolić ocenić stan rany. Rozwiązanie szczególnie przydatne byłoby u cierpiących na rany przewlekłe jak chociażby stopa cukrzycowa. Projekt zdobył międzynarodową Nagrodę Jamesa Dysona w jednym najbardziej prestiżowych konkursów inżynierskich.

Dążenie do stworzenia elektroniki dopasowującej się do ludzkiego ciała zaprowadziło zespół jeszcze dalej - pod czaszkę. Naukowcy drukują na cienkiej, elastycznej folii elektrody, które mają dwa zadania. Mogą rejestrować bardzo słabe sygnały elektryczne wytwarzane przez neurony, a więc pokazywać, jak mózg reaguje na bodźce – w przeprowadzonym doświadczeniu były to dźwięki. Mogą również doprowadzać do kory mózgowej niewielki prąd i w ten sposób zwiększać lub zmniejszać aktywność wybranego jej obszaru. Takie rozwiązanie pozwala zatem zarówno pobudzić mózg, jak i sprawdzić jego odpowiedź. W przyszłości oparte na nim urządzenia mogłyby pomagać w badaniu działania układu nerwowego oraz w opracowywaniu terapii, które regulują pracę określonych obszarów mózgu.

Wreszcie jednym z najbardziej bieżących osiągnięć zespołu jest przeniesienie drukowanych czujników z ciała pacjenta… nad rzekę. W projekcie ASIR, realizowanym w ramach programu NCBR Hydrostrateg, powstaje autonomiczna stacja pomiarowa „WaterSense” do ciągłego monitoringu jakości wód. Jej sercem jest opatentowany moduł z rolką kilkuset jednorazowych, tanich czujników, mierzących m.in. pH, chlorki, azotany, jony amonowe czy stężenie tlenu w wodzie. Gdy pojedynczy sensor traci właściwości pomiarowe, układ sam zastępuje go kolejnym, dzięki czemu stacja może pracować bez obsługi przez cały rok, również zimą. Zebrane dane trafiają do systemu z modułami sztucznej inteligencji, które wykrywają anomalie i prognozują parametry wody z 72-godzinnym wyprzedzeniem.

W ramach prac technologia częściowo trafiła na wodę. Wciąż rozwijająca się sieć autonomicznych, pływających stacji pomiarowych na polskich rzekach i jeziorach dostarcza już dziś strategiczne informacje do kluczowych firm i instytucji. Warty ponad 22 mln zł projekt łączy Politechnikę Warszawską jako lidera z Instytutem Meteorologii i Gospodarki Wodnej – Państwowym Instytutem Badawczym oraz firmami MAGLY i NABUCODE.

Wieloletnie wysiłki zespołu weszły więc w etap realizacji. Zespół ma już materiały przystosowane do druku na większą skalę, działające czujniki, współpracującą z nimi elektronikę, partnerów przemysłowych, zgłoszenia patentowe i doświadczenia zebrane podczas badań klinicznych. Każdy z tych kroków przybliża medycynę, w której stan pacjenta można obserwować nie tylko podczas pojedynczej wizyty, lecz także w codziennym życiu. Rozwijane technologie przyczyniają się do zdrowia ludzi i bezpieczeństwa środowiska, w którym żyjemy. Ostatecznym celem nie jest bowiem kolejny elektroniczny gadżet, ale realny pomiar towarzyszący człowiekowi na co dzień, pomagający lekarzowi dostrzec niepokojącą zmianę, zanim stanie się ona poważnym problemem lub dostarczający informacji o środowisku, w którym żyjemy żeby móc zapobiegać potencjalnym kryzysom.

Krzysztof Petelczyc (PAP)

kmp/ bar/