Татуировка для здоровья. Как рисунки на теле применяются в медицине (и почему они вскоре превратятся в модные гаджеты)

Слово «тату», вероятно, произошло от таитянского tatau, что означает «отмечать что-либо». Однако также есть сходство с полинезийским ta — «поразить что-то». Предполагается, что история татуировок начинается как минимум в бронзовом веке. В 1990-х годах было найдено тело человека с 57 рисунками на теле, умершего приблизительно в 3200 году до н. э. Татуировки наносили для обозначения социального статуса, например шамана, воина или раба, пирата или уголовника, для самовыражения, с эстетическими или религиозными целями, а также для маркировки идентификационными номерами, как в случае заключенных концлагерей. Во время московских противоковидных ограничений 2021 года некоторые жители использовали временные тату с QR-кодом для прохода в рестораны.

В России старшее поколение порой воспринимает татуировки как признак отношения к криминальному миру. Однако в РФ популярность тату растет: среди людей младше 34 лет 33% уже украсили ими тело. Студенты описывают нанесение тату как способ почувствовать собственную уникальность и независимость, быть собой и демонстрировать свои взгляды и убеждения. Некоторые отмечают, что татуировка добавляет сексуальности и привлекательности. Большинство людей всё еще рассматривают тату в первую очередь как средство самовыражения с неким символическим значением.

В XXI веке отношение к татуировке как явлению сильно изменилось — это связано и с используемыми для выполнения рисунка материалами, и с качеством и местами нанесения. Теперь поклонники тату при желании могут разукрасить даже глазное яблоко. Добрался до тату-индустрии и 3D-принтер: исследователи верят в развитие этой технологии и полагают, что скоро тату-салоны станут автоматизированными, а татуировки будут наносить одним нажатием кнопки. Кроме того, 3D-принтер способен печатать на коже татуировки-датчики.

Но что более важно — изменилась функция татуировки. Тату-искусство вышло на новый уровень, ориентируясь на потребности человека. Например, оно помогает восстановить образ тела у женщин, перенесших мастэктомию: тату-мастер воспроизводит на коже высококачественный, практически трехмерный рисунок утраченных ареолы и соска. Это улучшает самовосприятие пациенток и способствует реабилитации, ставя финальную точку в борьбе с онкологическим заболеванием. В качестве альтернативы имитации соска предлагают также нанесение художественного рисунка.

Грудь не только играет важную физиологическую роль, но и представляет собой культурный символ женственности, чувственности и сексуальности. Когда женщина подвергается мастэктомии во время лечения рака груди, она теряет ощущение «совершенного тела», которое становится «несовершенным». Это приводит к психологическим трудностям, к проблемам с сексуальностью, концепцией собственного я и самовосприятием.

Женщины после мастэктомии отмечают значительное ухудшение сексуальной функции (в 60–70% случаев), проявление выраженных депрессивных симптомов и заниженное восприятие собственного тела. Однако реконструкция соска и ареолы является проблематичной операцией, которая редко дает удовлетворительный результат. Поэтому воссоздание их рисунка имеет огромное значение: татуировка помогает вернуть привычный образ тела и уверенность в себе.

Известен опыт имитации ногтя с помощью гиперреалистичной татуировки на фаланге пальца после ампутации. Примечательно, что мастер делает такие тату нуждающимся бесплатно, собирая пожертвования, чтобы покрыть себестоимость процедуры, которая составляет приблизительно $250–300. Конечно, такая татуировка подойдет далеко не всем людям, перенесшим ампутацию, но может улучшить самовосприятие некоторых из них.

Еще один пример полезных тату — трихопигментация волос. Процедура помогает людям, страдающим облысением. Мастер создает реалистичный рисунок растущих волос, иллюзию щетины. Кроме того, татуировка скрывает шрамы и дефекты кожи головы. Палитра используемых пигментов позволяет воспроизвести любой цвет волос. Обычно к трихопигментации прибегают мужчины и женщины, которым противопоказано или не помогло лечение облысения, а также после пересадки кожи.

Татуировки в медицине применяют не только в декоративно-косметических целях, но и при проведении хирургических вмешательств. Для решения проблемы нанесения отметки для обозначения места проведения радиотерапии без потери и миграции цвета разработаны временные татуировки (Inkbox) для маркировки кожи. Исследование показало, что Inkbox меньше влияет на повседневную жизнь пациентов: снижается беспокойство по поводу исчезновения маркировки, меньше краски переносится на одежду и т. п. Не наблюдалось и побочных эффектов, что было подтверждено на 64 обработанных участках кожи 32 пациентов.

Еще одно вероятное применение татуировок в медицине — эндоскопическая маркировка расположения онкологических поражений в толстой кишке. Поскольку идентификация поражений толстой кишки, ранее выявленных при колоноскопии, может быть затруднена во время операции, эндоскопическая татуировка облегчает эту задачу. Тот же подход применяют для облегчения удаления лимфоузлов.

Эффективность операции составила 75,5% в группе пациентов с эндоскопической татуировкой против 55,8% у больных без маркировки.

Значительный интерес в научных и промышленных кругах вызывают и технологии мониторинга здоровья человека. Это привело к разработке миниатюрных носимых устройств в виде татуировок для непрерывной регистрации различных физиологических, физических, химических и биохимических параметров. «Умные» татуировки постепенно находят применение в медицине. Растущая потребность в носимых устройствах электрофизиологического мониторинга послужила стимулом для проведения исследований для разработки электронных татуировок, e-tattoo, обеспечивающих высокую комфортность использования.

Например, исследователи Колорадского университета разрабатывают татуировку, которая будет покрываться цветными точками, когда воздействие солнца на кожу превысит пределы нормы.

Ученые создали фотохромную татуировку, которая служит внутрикожным ультрафиолетовым радиометром, позволяющим легко получать информацию об УФ-облучении в режиме реального времени. Маленькие татуировки, или «солнечные веснушки», состоят из имплантированных в дерму колориметрических УФ-датчиков в виде наноинкапсулированных лейкокрасителей, цвет которых становится более синим при увеличении дозы УФ-излучения. Функциональность татуировок для определения уровня УФ-излучения была продемонстрирована на свиной коже ex vivo, а также на человеческой коже in vivo. Датчики имплантируются в ходе минимально инвазивной процедуры за несколько секунд и сохраняют функциональность в течение нескольких месяцев или лет. Активированные «солнечные веснушки» визуально напоминают, что необходимо защитить кожу, а их цвет быстро исчезает, как только прекратилось воздействие ультрафиолета или был нанесен солнцезащитный крем. Эта разработка важна для профилактики рака кожи, так как УФ-излучение является одним из мощных канцерогенных факторов. Видео можно посмотреть здесь.

Создана также татуировка-датчик для диабетиков. После нанесения татуировки на нее подается очень слабый электрический ток. Это заставляет ионы натрия в межклеточной жидкости в коже мигрировать к электродам. Вместе с ионами из жидкости переносятся молекулы глюкозы. С помощью встроенного датчика татуировка измеряет силу электрического заряда, создаваемого глюкозой. В результате можно определить уровень глюкозы у пациента без прокалывания пальца для взятия образца крови. Татуировка, которая содержит чувствительные к глюкозе биочернила, меняет цвет при опасном уровне сахара. Изучение ионтофоретической биосенсорной платформы на основе татуировки продемонстрировало возможность неинвазивного определения повышения уровня глюкозы после приема пищи. В настоящее время на основании этих предварительных результатов ведутся работы по созданию татуировки-биосенсора для непрерывного неинвазивного мониторинга уровня глюкозы — усилия направлены на интеграцию соответствующей электронной основы для питания датчика, обработки сигнала и беспроводной связи на гибкой носимой платформе и проведение крупномасштабного исследования мониторинга глюкозы. Такая биосенсорная платформа в виде татуировки может быть использована и для неинвазивного мониторинга других химических маркеров, присутствующих во внеклеточной жидкости.

Атлетам предлагается временная татуировка, которая предупреждает о приближении к точке, после которой уже нет прогресса при продолжении упражнений. Длительная энергичная физическая нагрузка приводит к накоплению лактата в организме. Когда уровень лактата становится слишком высоким, наступает утомление. Однако контролируя этот показатель, спортсмены могут уменьшить нагрузку, позволяя уровню лактата снизиться до того, как будет достигнута точка невозврата. Американские ученые создали гибкий электрохимический биосенсор: нанесенный на кожу датчик непрерывно измеряет уровень лактата в поте спортсмена и точно определяет его повышение. Эта технология может использоваться не только для тренировок и отслеживания результатов спортсменов, но и для других людей, которым приходится испытывать интенсивные физические нагрузки.

Медицинские исследователи и спортивные тренеры используют устройства, известные как ионоселективные электроды (ИСЭ). Они определяют изменения уровня pH пота на коже и могут применяться для оценки метаболического состояния человека, а также для определения усталости или обезвоживания. Новый датчик — твердоконтактный ионоселективный электрод в виде татуировки-смайлика — выполняет те же функции, что и ИСЭ, но обладает миниатюрным размером и фиксируется на конкретном месте. Такой датчик изготавливают с помощью стандартного трафаретного принтера, наносящего последовательные слои серебра, углерода и краски, а затем проводящего электрополимеризацию анилина.

Глаза смайлика на самом деле являются двумя электродами датчика, а уши служат проводящими контактами для отдельного измерительного устройства.

Датчик наносится как обычная наклеиваемая татуировка: его прикладывают к коже, затем прижимают к нему бумажное полотенце, смоченное в теплой воде, что позволяет подложке отклеиться и соскользнуть. В лабораторных испытаниях датчик оставался на коже испытуемых даже при сильном потоотделении. Татуировка способна определять метаболический стресс, вызванный нагрузкой. Как утверждают авторы, с помощью различных чувствительных материалов датчик можно использовать для измерения концентрации в поте таких ионов, как натрий, калий или магний, и отслеживать метаболические проблемы организма.

Традиционно татуировки воспринимаются как форма боди-арта благодаря своей гибкости и легкости. Эти свойства могут быть использованы для мониторинга и диагностики. В настоящее время электронные татуировки широко используются для определения электрических и физических параметров, таких как электрокардиография (ЭКГ), электроэнцефалография (ЭЭГ), электромиография (ЭМГ), фотоплетизмография и измерение дыхания.

Регистрировать ЭКГ легче всего из-за ее высокой амплитуды, порядка ~1 мВ. Это позволяет точно и неинвазивно определять сигналы сердца через кожу. При сердечно-сосудистых аритмиях, таких как тахикардия и брадикардия, ЭКГ является первой точкой отсчета для диагностики и лечения. Обычные мониторы ЭКГ требуют присоединения к телу электродных кабелей вместе с внешними электронными приборами для сбора информации. Из-за громоздкости такие приборы не могут постоянно носиться пользователем. Многим пациентам, страдающим сердечными заболеваниями, был бы полезен постоянный мониторинг сердечного ритма, но ежедневное посещение больницы для большинства неудобно. Системы мониторинга ЭКГ на основе татуировок, благодаря их миниатюрности и растяжимости, могут решить проблемы мониторов ЭКГ. Они также более удобны для пользователя. Яркий пример ЭКГ-монитора на основе временных графеновых татуировок показан на рисунке.

ЭКГ-монитор состоит из миниатюрных электронных компонентов, построенных на двухслойной подложке из графена/полиметилметакрилата. Графеновая электронная татуировка (GET) изготовлена методом мокрого переноса и сухого нанесения рисунка и имеет толщину 463±30 нм, оптическую прозрачность ~85% и растяжимость более 40%. Высокая растяжимость и оптическая прозрачность делают ее достаточно легкой, чтобы наносить на кожу как переводную татуировку. GET — это комплексная эпидермальная электронная система, которая эффективна для определения различных биопотенциалов, таких как ЭКГ, ЭМГ и ЭЭГ. GET передает ЭКГ с высоким соотношением сигнал/шум, сравнимым с обычными объемными электродами. Модуль также может считывать другие электрофизиологические параметры, например ЭЭГ и ЭМГ, если накладывать его на различные части тела. К сожалению, через 96 часов после нанесения монитора начинают появляться трещины, что увеличивает импеданс кожи, делая устройство непригодным для дальнейшего использования. Эта перспективная технология всё еще требует доработки.

Другие исследователи использовали самозаряжающийся пьезоэлектрический датчик с автономным питанием для непрерывного мониторинга артериального пульса в режиме реального времени. Пьезоэлектрический датчик преобразует давление, создаваемое артериальным пульсом, в электрические импульсы. Своевременное обнаружение отклонений в предсердных импульсах способствует профилактике серьезных сердечных заболеваний. В случае обнаружения каких-либо отклонений в сигналах артериального давления происходит беспроводной обмен данными со смартфоном. Эксперименты показали чувствительность ≈0,018 кПа-1 и время отклика ≈60 мс с высокой механической стабильностью. Однако для клинических испытаний татуировки с автономным питанием требуется биосовместимый пьезоэлектрический материал.

Китайские ученые разработали устройство для непрерывного измерения артериального давления без манжеты в реальном времени с помощью временной татуировки.

Устройство объединяет тонкий гибкий пьезоэлектрический датчик (FPS) с эпидермальным сенсором. Оно потребляет всего лишь 3 нВт энергии, что делает его более подходящим для использования в домашних условиях в странах с низким уровнем экономического развития.

Датчики для высокопроизводительной регистрации дыхания в форме временной татуировки с использованием комбинации эффекта тепловой конвекции и тепловой активации предложены для мониторинга в реальном времени. Полученные с их помощью данные помогают различать модели дыхания. Размер устройства составляет 0,6 × 0,3 × 0,23 мм, что в сочетании с мягкостью и гибкостью обеспечивает максимальный комфорт для пациента. Его можно размещать на верхней губе под носом.

Временные «умные» татуировки используются не только в медицинских целях. Еще одна сфера применения высокотехнологичных татуировок — взаимодействие с другими людьми или гаджетами. Уже существует несколько видов таких высокотехнологичных тату. Первый наносится традиционным способом, но в особой форме.

Например, рисунок на теле может передавать звук. Это происходит следующим образом: на сайт компании Skin Motion загружается аудиозапись, обрабатывается и конвертируется в рисунок, похожий на аналоговую запись звука, подобно дорожке на грампластинке, а затем мастер наносит его на кожу традиционным способом.

Специальное приложение Skin Motion сканирует тату и воспроизводит записанный звук. Как выглядит работа приложения, демонстрируется ниже. А в период коронавирусных ограничений 2021 года в Москве некоторые жители использовали временные тату с QR-кодом для прохода в рестораны.

Отметим, что клиенты часто используют известные музыкальные композиции, что имеет прямое отношение к закону об авторском праве, поскольку происходит несанкционированное использование чужой работы. В этом плане к Skin Motion есть серьезные юридические вопросы, затрагивающие в том числе ответственность тату-мастера.

С помощью новых технологий тату может передавать данные посредством знаков, нанесенных на кожу. Такое тату делается из нанотехнологических электронных компонентов, включающих электропроводящие чернила, биодатчики, термохромную краску.

Весьма продвинутую технологию предложили в 2016 году компания Microsoft и Массачусетский технологический институт. Исследователи объединили усилия для разработки временных татуировок, которые могут служить как сенсорный интерфейс. В качестве материала нанесения использовалось сусальное золото.

Благодаря быстрому технологическому развитию, а также дешевизне и простоте процесса нанесения такие тату можно использовать для разных целей: в качестве платежной системы, отслеживания человека в пространстве, измерения температуры тела, пульса, давления, уровня алкогольного опьянения. Такое тату может даже работать как пульт дистанционного управления. С его помощью можно заплатить за кофе или открыть машину одним взмахом руки. В каком-то смысле такая модификация превращает людей в киборгов.

Очевидно, что удобство использования и доступность приведут к тому, что постепенно популярность высокотехнологичных татуировок будет расти, и, вероятно, они полностью вытеснят традиционные тату.

Таким образом, мы становимся свидетелями появления интернета тел (Internet of Bodies, IoB). Это новая концепция, связанная с цифровизацией человеческого тела и, вероятно, совсем недалекое будущее, когда произойдет переход от интернета вещей (набора повседневных предметов, подключенных к Сети) к устройствам, которые прикреплены к человеческому телу или встроены в него для постоянного сбора, обработки и передачи потока информации. Эти устройства могут устанавливаться во время медицинского вмешательства, для проведения исследований или с другими целями. Тело становится центром цифрового взаимодействия, а физическое пространство смешивается с виртуальным.

«Умные» татуировки относятся к новому поколению интернета тел, тогда как привычные носимые гаджеты — например, часы Apple и фитнес-браслеты — относились к первому. «Умные» схемы, цифровые татуировки или имплантаты способны превратить периферическую нервную систему в интерфейс.

Несмотря на все преимущества, такие «умные» татуировки усиливают контроль над обществом. Уже сейчас люди предоставляют о себе много информации, например с помощью мобильных телефонов и цифрового следа в интернете. Использование смартфона помогает отследить местоположение, перемещения, количество шагов в день и т. д. Но тату позволят получать информацию о болезнях и биологических параметрах человека. Поэтому такие технологии вполне могут использоваться корпорациями или силовыми структурами для контроля населения. В исследования «умных» татуировок инвестируют многие международные компании, что неудивительно, так как это перспективный путь к сбору уникальной информации о людях. Однако, в отличие от мобильного телефона, татуировку или имплантат вряд ли получится выключить. Здесь возникают этические и моральные вопросы: как обеспечить этичное использование персональных данных человеческого тела и кто будет контролировать их применение? В любом случае это нетривиальная проблема, потому что изменения могут как повлиять на современное общество, так и затронуть следующие поколения.