Voluminoso, Los zumbidos y pitidos de las habitaciones del hospital demuestran que controlar el estado de salud de un paciente es un proceso invasivo e incómodo. a lo mejor, y un proceso peligroso, lo peor. Los investigadores de Penn State quieren cambiar eso y hacer biosensores que podrían hacer que el monitoreo de la salud sea menos voluminoso, más precisa y mucho más segura.

La clave sería hacer sensores que sean tan elásticos y flexibles que puedan integrarse fácilmente con el complejo del cuerpo humano, cambiar contornos, dijo Larry Cheng, la profesora Dorothy Quiggle en Ingeniería y afiliada al Instituto de Ciencias Computacionales y de Datos. Su laboratorio está progresando en el diseño de sensores que pueden hacer precisamente eso.

Si los biosensores que son energéticamente eficientes y extensibles se pueden lograr a escala, los investigadores sugieren que los ingenieros pueden seguir y, en algunos casos, ya están buscando:una gama de opciones para sensores que se pueden usar en el cuerpo, o incluso colocado dentro del cuerpo. La recompensa sería más inteligente un tratamiento médico más eficaz y personalizado y una mejor toma de decisiones de salud, sin muchos problemas zumbidos y pitidos de equipos de monitoreo.

Algunas de las ideas que están investigando los investigadores de Penn State y de todo el mundo incluyen tejidos elásticos que pueden incorporar biosensores. Los sensores basados ​​en papel también podrían usarse para crear vendajes inteligentes que puedan monitorear el estado de las heridas. Los tatuajes temporales podrían incluso incorporar biosensores para el control de la salud. Por ejemplo, un tatuaje con biosensor podría proporcionar a los pacientes con diabetes estimaciones instantáneas de sus niveles de glucosa.

Los investigadores publicaron recientemente su análisis de los últimos desarrollos en biosensores flexibles y extensibles.

Más poder computacional

Una antena que pueda transmitir datos es el elemento clave para estas ideas de biosensores, dijo Cheng, quien también es miembro del Instituto de Investigación de Materiales en Penn State. Pero no puede ser una antena ordinaria. Una antena en el cuerpo humano requeriría que no solo sea duradera, resistir las condiciones extremas del cuerpo, pero también debe ser estirable, para que pueda adaptarse a los contornos de varios órganos y tejidos del cuerpo.

La creación de esas antenas extensibles requiere cálculos complejos para modelar todas las diferentes variaciones que puede tomar el diseño de los sensores para determinar los mejores diseños. Y eso significa que el proceso de diseño por sí solo requiere mucha potencia computacional, añadió.

"Exploramos muchos patrones y diseños diferentes cuando investigamos estas ideas, pero esto puede crear más parámetros, ", Dijo Cheng." Esto puede convertirse en un problema porque es difícil encontrar el diseño correcto con todos los diferentes parámetros. Es por eso que necesitamos más poder computacional. Este poder computacional adicional puede ayudarnos a jugar con los diferentes parámetros y descubrir el efecto de cada uno. Entonces podremos descubrir cómo optimizarlos ".

El equipo también quiere ver cómo cambian las propiedades mecánicas y electromagnéticas a medida que el dispositivo cambia de forma.

"Necesitamos aprovechar los recursos computacionales para diseñar esta antena eficiente que se pueda estirar, pero, más importante, con esta antena extensible, podemos hacer muchas cosas porque si queremos llegar al lugar donde estos sensores están transmitiendo datos, esta antena es el elemento clave que no puede moverse, " él dijo.

Y simplemente más poder

El siguiente paso es encontrar formas de alimentar los sensores. Las baterías actuales pueden ser demasiado grandes y rígidas para alimentar un sensor que pueda operar en un cuerpo humano o dentro de él. dijo Cheng. Su laboratorio ahora está investigando nuevas formas de alimentar biosensores.

Si bien podríamos pensar que tenemos que conectar el sensor a una fuente de energía, Cheng dijo que en realidad estamos rodeados de fuentes de energía naturales y creadas por el hombre, llamada energía ambiental.

"Nuestro trabajo ahora también se centra en aprovechar la energía ambiental, que puede incluir Wi-Fi:3-G, 4-G o 5-G, o incluso fuentes de microondas, ", dijo Cheng." Con energía ambiental, siempre está encendido no importa si lo estás usando o no, está allá. Incluso cuando te vas a dormir está allá. Si no cosechamos esa energía, simplemente se desperdicia ".

El diseño de los investigadores requiere una antena rectificadora extensible, o rectenna, que puede convertir la energía electromagnética en corriente continua. Cheng dijo que podría encender el dispositivo, o cargue una batería como fuente de energía.

Dado que el dispositivo tiene acceso a una gama más amplia de energía disponible, Los resultados iniciales muestran que el diseño de los investigadores es de 10 a 100 veces mejor que los modelos existentes.

"Si solo recolectamos la energía en una sola frecuencia, va a, por supuesto, minimizar la cantidad de energía que podemos utilizar, pero al recolectar la energía en una banda ancha alrededor del dispositivo, agravará la eficiencia, "dijo Cheng.

Direcciones futuras:pop-ups y organoides

En el futuro, Cheng dijo que su equipo continuará trabajando en biosensores, pero también están investigando la posible integración de biosensores con organoides, que son de cultura humana, tejidos específicos de órganos diseñados para imitar la función de los órganos naturales. Cheng dijo que los organoides podrían usarse para pruebas médicas.

"La experimentación con animales se utiliza con bastante frecuencia en la investigación médica, pero probar en organoides nos daría una opción mucho más ética, " él dijo.

Cheng agregó que el diseño de materiales que pueden asumir formas tridimensionales es otra área de exploración de investigación futura para el grupo. Estos diseños "emergentes" se pueden insertar en un área de destino como una superficie plana, pero luego se transforma en una forma tridimensional. Estos podrían usarse en aplicaciones futuras en los campos de la salud y la medicina, entre otros.