近年来，医生和患者都对可穿戴在皮肤上的生物泵寄予厚望，这些生物泵可以直接向体内给药或提取体液。最常见的是胰岛素泵和化疗泵，它们帮助糖尿病患者和癌症患者管理疾病。但这些设备通常刚性、笨重且需要电力支持。
圣克拉拉大学的一名工程学博士候选人和她的导师采取了不同的方法。他们开发了一种柔性、类皮肤的聚合物材料，集成了管道、腔室和阀门，利用身体自身的运动来泵送液体。该设备由穿戴者肌肉的自然伸展和收缩驱动，无需电池。
研究人员将其称为OSMiPump，他们认为它在运动和药物输送等各领域都可能带来益处。他们在《自然·微系统与纳米工程》杂志最近发表的一篇论文中介绍了OSMiPump。
"OSMiPump无需额外硬件或电源即可实现流体输送和移除，"论文第一作者、开发该泵并获得博士学位的Rana Altay博士'26说，"它为伤口护理、药物输送甚至可穿戴机器人、活动跟踪和传感的新时代开辟了道路。"
"Altay博士是一位创新工程师，她创造的设备可能对物理治疗管理和个性化医学产生重要影响，"工程学副教授、微流体学专家、论文高级作者Emre Araci说，"我们灵活的微流体贴片会根据特定运动和关节的质量、强度和力学特性做出反应，这将帮助所有活动能力水平的人更智能地训练、更快地恢复并保持长期的肌肉骨骼健康。"
受自然启发
Altay表示，此类应用中流体流动的精确控制至关重要，这也是该工作的真正工程挑战。为了寻找灵感，她观察了自然界，注意到某些昆虫（如蝗虫和蟑螂）可以利用节律性气管压缩来引导气流，而人类心脏和肠道则表明肌肉运动可以产生强大而有效的流体流动。
最基本层面，OSMiPump的工作原理与其他泵类似，都是通过产生压力不平衡来吸取和推动流体。当OSMiPump的柔性材料被拉伸时，它从储液器中吸取流体，然后当材料恢复到中性配置时，通过单向阀将流体推送到给药位置。阀门防止回流，确保流体朝所需方向移动。
但与传统泵不同，OSMiPump较少依赖压力，而更多依赖控制流动方向。在这方面，阀门对OSMiPump的性能至关重要。它们确保流体朝正确方向移动。经过测试几种阀门排列变体，研究团队发现一系列小型阀门优于单个大型阀门。该泵可以适应双向流动。Altay表示，她可以想象未来会有双向OSMiPump，先提取流体进行采样，然后根据需要输送其他流体（药物）。
Altay描述了潜在用途，包括糖尿病护理，其中基于OSMiPump的设备可以对脚部的流体进行采样（慢性伤口常导致截肢），然后输送药物治疗。她还可以预见可穿戴泵能够对血液中的葡萄糖进行采样，并根据需要仔细控制胰岛素的剂量，以保持血糖处于最佳水平。其他可能的可穿戴设备可能在身体活动期间对血液或汗液进行采样，并根据身体的即时生物化学反应输送药物或营养补充剂。
"每当您产生皮肤应变——无论是走路，还是弯曲肩膀或肘部——泵就会被激活，"她说，"相反，通过定位，可以减少或完全停止泵送动作，因为某些身体姿势会最小化驱动设备的皮肤变形。这允许用户通过运动自然激活或停用泵送。"
个性化
在研究中，Altay发现该设备的输出控制因人而异，也因在身体上的应用位置而异。她说，有些人和某些肌肉群自然会产生比其他人更大的应变。
"这真的是一种个性化医学，"Altay说，"不是每个人都会产生相同的皮肤应变，但我们可以在放置泵之前映射个人皮肤应变，以控制精确的泵送量。"
除了流体输送和提取外，研究人员还将OSMiPump作为物理康复监测的平台进行探索。由于该设备输出直接反映皮肤应变和身体运动，它可以作为运动质量、关节使用和康复进展的被动指标。
"物理康复是我们积极应对的第一个应用，"Altay说，"该设备不仅对运动做出反应，还提供有关运动幅度和频率的信息。这为使用无需电子设备或电池的软性可穿戴系统跟踪康复练习、监测患者依从性和评估恢复进展创造了机会。"
总体而言，Altay和Araci对该巧妙泵的前景持乐观态度。OSMiPump可以适应多种形式，包括集成在类似袜子的材料中，或作为类似创可贴的粘性贴片，可以轻松安装在身体的关键点上。在一次测试中，Altay将一个OSMiPump贴片安装在膝盖后面。另一个被安装在脚踝上。
"我认为它可能会产生重大影响，特别是在伤口护理和药物输送方面，我们仍然依赖于坚硬和刚性的泵组件，"Altay预测，"这些柔性、类皮肤的泵将更容易应用，对用户来说也更加舒适。"
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