汗に含まれる成分を検知する皮膚装着型センサーは、将来的に採血のような侵襲的な検査に取って代わり、脱水や疲労などの健康問題についてリアルタイムで知らせる可能性がある。
研究者らはセンサーを使って、発汗率と、運動しているボランティアや、化学的に誘発された発汗を経験している人々の汗に含まれる電解質や代謝物をモニタリングした。
「このプロジェクトの目標は、センサーを作ることだけではありません。多くの被験者を対象に研究を始め、汗が何を教えてくれるのかを調べることです。私はいつも、汗の成分を『解読する』と言っています」と、筆頭著者のアリ・ジャヴェイ氏は述べる。同氏はカリフォルニア大学バークレー校の電気工学・コンピューターサイエンス教授である。
「そのためには、信頼性と再現性があり、量産できるセンサーが必要です。そうすれば、体のさまざまな場所に複数のセンサーを装着し、多くの被験者を対象に調べられます」と、ローレンス・バークレー国立研究所の研究者でもあるジャヴェイ氏は述べる。
大量生産を低コストで
『Science Advances』で報告されたように、科学者らは、新聞に文字を印刷するように、プラスチックシート上にセンサーを素早く印刷できる「ロール・ツー・ロール」加工技術を開発した。
新しいセンサーには、皮膚から汗を吸い上げる、らせん状の微細な管、すなわちマイクロ流路が組み込まれている。汗がマイクロ流路を通過する速度を追跡することで、センサーは発汗量、つまり発汗率を測定できる。
マイクロ流路には化学センサーも備わっており、カリウムやナトリウムなどの電解質や、グルコースなどの代謝物の濃度を検出できる。
ジャヴェイ氏のチームは、フィンランド技術研究センター（VTT）の研究者らと協力し、スクリーン印刷に似たロール・ツー・ロール加工技術でセンサーパッチを迅速に製造する方法を開発した。
「ロール・ツー・ロール加工により、使い捨てパッチを低コストで大量生産できます」と、VTTのユッシ・ヒルトゥネン氏は述べる。「試験デバイスの数が研究の制約にならない場合、ロール・ツー・ロール技術は大学の研究グループに大きな利点をもたらします。さらに、製造規模の拡大は、汗を検知するという概念を実用化できる可能性を示しています。」
リアルタイムの健康状態
汗から人体のリアルタイムの健康状態について何が分かるのかをより深く理解するため、研究者らはまず、ボランティアの額、前腕、脇の下、背中の上部など体の複数の場所に汗センサーを装着し、エアロバイクをこいでいる間の発汗率と汗に含まれるナトリウムおよびカリウムの濃度を測定した。
局所的な発汗率から運動中の全身の水分喪失量を推定できることが分かった。つまり、発汗率を追跡すれば、アスリートが無理をしすぎる前に知らせる手段となる可能性がある。
「従来は、一定時間にわたって体から汗を採取し、その後に分析していました」と、カリフォルニア大学バークレー校で材料科学・工学を専攻する大学院生で、論文の筆頭著者の一人であるフニン・イン・イン・ニェイン氏は述べる。
「その方法では、動的な変化を高い分解能で捉えるのは困難でした。このウェアラブルデバイスを使えば、体のさまざまな部位からデータを継続的に収集できます。例えば、局所的な発汗による水分喪失から、全身の水分喪失量をどのように推定できるかを調べられます。」
研究者らはセンサーを使い、健康な人と糖尿病患者の汗中のグルコース濃度と血糖値も比較した。その結果、汗中のグルコース濃度を一度測定しただけでは、必ずしも血糖値を示せないことが分かった。
「非侵襲的な汗の検査が、診断や糖尿病のモニタリングにおける血液検査に取って代わるという期待は大きくありました。しかし、汗中のグルコース濃度と血糖値の間には、単純で普遍的な相関関係がないことを示しました」と、材料科学・工学の大学院生で、論文のもう一人の筆頭著者であるマリカ・バリヤ氏は述べる。
「このことを研究者コミュニティが知るのは重要です。今後は、個人ごとの相関関係や複数のパラメーター間の相関関係の調査に重点を置けるからです。」
共著者には、フィンランド技術研究センター（VTT）およびカリフォルニア大学バークレー校の研究者も名を連ねる。本研究は、NSFの「モバイルコンピューティングおよびモバイルエネルギー技術のためのナノ製造システム」、バークレー・センサー・アンド・アクチュエーター・センター、ならびにバカール・フェローシップの助成を受けた。
