En un nuevo estudio publicado en Avances de la ciencia , Yichao Zhao y un equipo de investigación en bioelectrónica integrada y materiales e ingeniería en los EE. UU. Diseñaron un dispositivo desechable, sistema de detección electroquímico autónomo (FESS). El FESS les permitió realizar una estrategia de diseño a nivel de sistema para abordar los desafíos de los biosensores portátiles en presencia de movimiento y permitir una integración perfecta con la electrónica de consumo. El equipo desarrolló un reloj inteligente habilitado para FESS, con muestreo de sudor, detección electroquímica y visualización o transmisión de datos, dentro de una plataforma portátil autónoma. El equipo utilizó el reloj inteligente FESS para monitorear los perfiles de los metabolitos del sudor entre individuos en entornos sedentarios y de ejercicio muy intensivo.

La infraestructura de Internet de las cosas (IOT) se puede utilizar en dispositivos electrónicos de consumo portátiles para transformar la medicina personalizada y de precisión mediante la recopilación de datos fisiológicamente relevantes con una mínima intervención del usuario. Los científicos suelen utilizar sensores físicos en plataformas portátiles comerciales para rastrear la actividad física y los signos vitales de un usuario. Sin embargo, para obtener información sobre la química dinámica del cuerpo, Los investigadores requieren superficies de detección electroquímica para apuntar a las moléculas de biomarcadores dentro de los fluidos corporales recuperados de forma no invasiva, como el sudor. Para lograr esto, Es fundamental diseñar con precisión la ruta de entrega de información desde la piel hasta una unidad de lectura. Para detección electroquímica, la vía de entrega de información debe muestrear y entregar el biofluido rico en biomarcadores a la superficie del sensor en una estructura de microfluidos, seguido de la transducción de señales a través de elementos interconectados a la electrónica de lectura. La señal debe mantenerse a lo largo de esta vía en presencia de tensión inducida por el movimiento.

En este trabajo, Zhao y col. desarrolló el sistema de detección electroquímica independiente (FESS) y lo adhirió simultáneamente a la piel y a la electrónica utilizando fuerzas de adhesión de doble cara sin conectores rígidos. El FESS muestreó y dirigió biofluidos recuperados epidérmicamente para detección electroquímica, seguido de enrutamiento para leer la electrónica a través de una vía aislada de deformación. Integraron el FESS dentro de un reloj inteligente personalizado para la inducción del sudor, muestreo, detección electroquímica, procesamiento de señales y visualización o transmisión de datos. Los resultados mostraron una transducción de señales de alta fidelidad y un contacto mecánico robusto con la piel humana sin restringir el movimiento del usuario. El sistema de detección independiente se puede vincular con los dispositivos electrónicos portátiles del futuro para generar conjuntos de datos de alta fidelidad relacionados con la salud y el bienestar basados ​​en las actividades diarias de los usuarios.

Para crear una vía biológica eficiente, Zhao y col. integrina seleccionada:una molécula adhesiva celular que permitió eficazmente el intercambio de información fisiológica entre matrices intracelulares y extracelulares. El dispositivo FESS implementó funcionalidades similares a las de la integrina a través de una región aislada de cepa en una estructura de microfluidos. Diseñaron FESS como conductor vertical, Adhesivo de doble cara y sistema de película fina bioanalítica microfluídica flexible compuesto por múltiples películas apiladas verticalmente. Estas películas incluían una película conductora anisotrópica adhesiva (ACF), una película de matriz de electrodos de metal noble, una película bioquímica, una película de microfluidos y una película adhesiva para la piel. Pegaron el sistema completo de película delgada en la electrónica de lectura sin conectores y con una mínima resistencia de contacto para transformar potencialmente cualquier contacto eléctrico en un sensor químico o biológico. El equipo desarrolló una prueba de principio, reloj inteligente autónomo con detección de biomarcadores con FESS para monitorear los perfiles de metabolitos del sudor de individuos en entornos sedentarios frente a entornos de mucho ejercicio.

En esta configuración, La conductividad vertical de ACF facilitó las interconexiones de señales fuera del plano para evitar efectos de tensión inducidos por movimientos corporales no deseados en las rutas de las señales. El equipo caracterizó la propiedad de adhesión mecánica de FESS para garantizar que las fuerzas de adhesión entre el FESS y la electrónica fueran más altas que las de FESS y la piel seca o con sudoración activa. El equipo probó la fuerza requerida para despegar la capa de ACF del FESS en una placa de circuito impreso y los resultados mostraron una fuerte interconexión basada en FESS con la electrónica. adecuado para aplicaciones corporales.

Zhao y col. luego probó la capacidad de transducción de señales del FESS. Modelaron electrodos de metales nobles en el ACF para lograr la transducción de señales bioquímicas a eléctricas, seguido de la deposición de películas bioquímicas para analizar dianas biomoleculares de interés. Probaron la actividad electroquímica del ACF con patrón metálico para dos superficies de electrodos de uso común en Au modificado con nanopartículas de oro (Au) y platino (Pt) sin modificar. Los métodos electroanalíticos investigados en el trabajo proporcionaron lecturas de biomarcadores de muestra a respuesta para obtener información en tiempo real sobre las alteraciones en la biocomposición del sudor.

En los siguientes experimentos, el equipo de investigación demostró la capacidad de FESS para monitorear biomarcadores durante las actividades diarias del usuario. Para lograr esto, integraron FESS en un reloj inteligente desarrollado a medida como un modelo de dispositivo IOT que contiene un circuito analógico / digital, Transceptor Bluetooth y una pantalla de cristal líquido (LCD) para funcionalidades a nivel del sistema, incluido el procesamiento de señales y comandos de usuario, pantalla y comunicación de datos inalámbrica. El reloj inteligente basado en FESS funcionó de manera similar a un potenciostato. Los científicos adhirieron el reloj inteligente completo a la piel sin envoltorios externos o accesorios para la detección de biomarcadores inalámbricos como una unidad autónoma. La pantalla LCD mostró lecturas en tiempo real y el perfil temporal de las mediciones de biomarcadores, mientras que el receptor Bluetooth transmitió las lecturas a una aplicación móvil desarrollada a medida para cargar los datos en un servidor en la nube para su posterior análisis.

El equipo adhirió el reloj inteligente basado en FESS en el antebrazo de un sujeto para mostrar su función como un sistema portátil para monitorear biomarcadores. El sujeto podría controlar de forma inalámbrica el dispositivo para tomar en tiempo real, mediciones de biomarcadores basados ​​en el sudor en relación con la rutina diaria del usuario. El usuario monitoreó sus niveles de glucosa en el sudor antes o después de consumir una variedad de comidas y la lectura del reloj inteligente indicó niveles elevados de glucosa en el sudor después de la ingesta de alimentos. en consonancia con las tendencias anteriores. El reloj inteligente también proporcionó información al usuario sobre las lecturas de lactato en el sudor mientras corría en un campo, los resultados fueron consistentes a pesar de la participación de movimientos corporales basados ​​en alta frecuencia y alta aceleración.

De este modo, Yichao Zhao y sus colegas examinaron la ruta de entrega de información de biomarcadores y reconocieron regiones de tensión casi cero dentro de un módulo de detección de microfluidos para diseñar una ruta de cepa aislada para preservar la fidelidad de los datos de biomarcadores. El sistema de película delgada que formó la entidad FESS independiente fue bioinspirado por funcionalidades similares a las integrinas para la transducción de señales y la interconexión de señales a través de la adhesión de doble cara. El FESS unió de manera eficiente la piel y la electrónica de lectura para recolectar información de biomarcadores. El equipo combinó el sistema FESS a la perfección con un reloj inteligente desarrollado a medida como un biosensor portátil para monitorear las lecturas de biomarcadores en tiempo real a lo largo de la rutina diaria del usuario. Para comercializar el prototipo desarrollado en este trabajo, Zhao y col. proponer ensayos clínicos futuros para mapear lecturas de biomarcadores basados ​​en el sudor y obtener información sobre el estado fisiológico de los usuarios. Las ventajas de este trabajo, incluida su facilidad de integración con dispositivos electrónicos portátiles y lecturas de alta fidelidad, se pueden emplear para realizar investigaciones clínicas a gran escala.

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