Se pueden colocar medidores de tensión cómodos directamente sobre la piel humana para monitorear la actividad de movimiento continuo con aplicaciones generalizadas en robótica, detección de movimiento humano, y cuidado de la salud personal. Sin embargo, Es un desafío desarrollar un medidor de tensión en la piel para monitorear los movimientos del cuerpo humano a largo plazo sin perturbar el movimiento natural de la piel. En un nuevo informe ahora en Avances de la ciencia , Yan Wang, y un equipo de científicos en ingeniería eléctrica de la Universidad de Tokio y el Centro de Ciencias de la Materia Emergente de Japón presentaron una galga extensométrica ultradelgada y duradera de nanomedicina. El dispositivo permitió una actividad de movimiento continuo para minimizar las limitaciones mecánicas del movimiento natural de la piel. Diseñaron el dispositivo utilizando nanomedias de poliuretano-polidimetilsiloxano reforzado (PU-PDMS) para una excelente sostenibilidad y durabilidad. La geometría y la suavidad del dispositivo proporcionaron una mínima interferencia mecánica para las deformaciones naturales de la piel. Durante las pruebas de habla, por ejemplo, la cara con nanomatrices mostraba un mapeo de la tensión de la piel similar a la piel natural sin nanomedias. Wang y col. Demostrado mapeo facial a largo plazo para detectar en tiempo real, movimientos corporales estables con sensores de nanomedicina unidos a la superficie.

Ingeniería de una nanomatriz

Los dispositivos electrónicos portátiles para aplicaciones sobre la piel están diseñados para ser delgados, suave y duradero para integrarse con la piel humana para aplicaciones continuas a largo plazo. Las galgas extensométricas han atraído un interés significativo en la bioingeniería debido a sus aplicaciones en interfaces hombre-máquina para diagnósticos de salud. Se pueden aplicar galgas extensiométricas suaves y de alta precisión para medir continuamente la función biológica de los órganos. Sin embargo, tienen mecanismos más simples para generar cambios eléctricos repetitivos después de la deformación mecánica, para aplicaciones que interactúan con sistemas biológicos. Los dispositivos solo requieren un alto cumplimiento mecánico, flexibilidad, Sensibilidad y biocompatibilidad para un funcionamiento óptimo. En este trabajo, Wang y col. desarrolló una galga extensométrica ultradelgada y duradera de nanomedias para detectar el movimiento humano y minimizar las limitaciones mecánicas de la piel natural. Utilizaron PU-PDMS (poliuretano-polidimetilsiloxano) para diseñar las nanomadas con un peso ultraligero de 0,12 mg / cm. ² y extraordinaria durabilidad mecánica para aplicaciones de estiramiento y liberación de ciclo elevado. El equipo utilizó la configuración para mapear con éxito la tensión de la piel facial durante el habla durante hasta 3,5 horas con una mínima interferencia mecánica después de un uso prolongado.

Durante los experimentos, el equipo de las primeras nanofibras de PU (poliuretano) electrohiladas para crear largas, fibras similares a pelos para formar la columna vertebral del sensor permeable de nanomedicina. En el siguiente paso, sumergieron la hoja de nanofibras de PU en una solución diluida de PDMS (polidimetilsiloxano) para que las nanofibras formen haces aleatorios rodeados por PDMS. Wang y col. sometió el material a una exposición leve de ozono ultravioleta (UV) para curar la superficie y facilitar la hidrofilicidad de la superficie (naturaleza amante del agua) para la biocompatibilidad. Completaron el dispositivo usando deposición de oro en ambos lados y observaron la vaina del núcleo de PU-PDMS resultante usando microscopía electrónica de barrido (SEM). El revestimiento de PDMS mejoró la interconectividad entre las nanofibras para mejorar la integridad estructural de las construcciones. La resistencia mecánica resultante de la nano malla de PU-PDMS independiente mejoró enormemente con una mayor capacidad de estiramiento en comparación con la hoja de nanofibras desnudas y el equipo también examinó su permeabilidad a los gases.

Estirabilidad y sensibilidad programables

Wang y col. diseñó eficazmente diversas estructuras de nanomatrices variando la concentración de PDMS para obtener galgas extensométricas de nanomedias con diferentes sensibilidades y estiramientos. Sin embargo, todos los dispositivos mantuvieron distribuciones de tamaño de poro similares en relación con su estructura porosa. Los científicos definieron el factor de calibre (GF) o sensibilidad a la deformación como la relación entre el cambio fraccional en la resistencia eléctrica y el cambio fraccional en la longitud. Las diferentes estructuras de malla mostraron diferentes estirabilidades y factores de calibre. Durante el estiramiento uniaxial, la resistencia de cada dispositivo aumentó con diferentes ritmos. Diluyendo la solución de PDMS, programaron eficazmente las galgas extensiométricas nanomaespa con diferentes estirabilidades y sensibilidades. A mayores tensiones más allá del rango de tolerancia, las mallas PU-PDMS se desconectaron para provocar la rotura de la nanomedilla, mientras que la estructura de nanomaterillas podría retenerse liberando la tensión.

Sostenibilidad electromecánica, confiabilidad y durabilidad de los sensores de nanomedicina PU-PDMS

Para comprender la sostenibilidad del dispositivo, el equipo de investigación aplicó una tensión del 40% en el dispositivo durante 12 horas. Luego realizaron pruebas cíclicas para investigar la durabilidad mecánica de la construcción y observaron una ligera histéresis en la resistencia en los primeros cientos de ciclos debido a las propiedades mecánicas del PDMS. La resistencia laminar de la nanomedilla de PU-PDMS fue estable durante 100 días de almacenamiento en condiciones ambientales debido a su superficie de oro inerte. indicando una larga vida útil, muy adecuado para aplicaciones prácticas. Los científicos llevaron a cabo pruebas de durabilidad para los sensores de nanomared utilizando construcciones diseñadas con diversos andamios de nanofibras, incluido el alcohol polivinílico (PVA), poliuretano (PU) solo y PU con revestimiento de parileno. En comparación con las otras tres nanopartículas que no funcionaron con tanta eficacia, las nanomadas de PU-PDMS mostraron una deformación cíclica uniforme durante 100 ciclos.

Después de colocar el dispositivo de nanomaterillas en la piel humana, el equipo roció la superficie con agua nebulizada para lograr una adherencia estable. El contacto fue apenas perceptible para el sujeto que llevaba los sensores de nanomedicina durante el experimento. Wang y col. adjuntó sensores de nanomambrilla en el lado derecho de la cara y colocó marcadores rectangulares negros en el lado izquierdo como referencia. Cuando el sujeto de la prueba articuló las letras "a, "" o "y" u, "las cepas más altas registradas para marcadores negros oscilaron entre el 17,5 y el 25%, mientras que los registrados para los sensores de nanomedicina fueron del 18,3 al 23,6%. Por lo tanto, los resultados del mapeo de deformaciones mostraron una distribución simétrica de la deformación de la piel en el lado derecho e izquierdo de la cara. destacando las limitaciones mecánicas mínimas de los dispositivos a nanoescala en la piel durante el habla. Las nanomales adaptables se pueden usar durante 3,5 horas sin molestias.

Luego, el equipo extendió los experimentos para detectar sutiles deformaciones de la piel en la muñeca humana inducidas por el pulso. Presionaron suavemente la arteria radial de la muñeca humana unida con un sensor de nanomedicina y seleccionaron la amplitud y la frecuencia en tiempo real. el dispositivo se puede utilizar para monitorear señales antes y después del ejercicio físico. La construcción mantuvo una mayor capacidad de estiramiento lineal para detectar grandes movimientos de flexión de las articulaciones con excelente elasticidad para evitar roturas o desprendimientos de la piel. El sensor de deformación mantuvo una funcionalidad efectiva incluso después de 10, 000 ciclos de flexión / relajación para demostrar su integridad estructural y adaptabilidad entre la piel y el dispositivo.

De este modo, el PU-PDMS (poliuretano-polidimetilsiloxano) ultra suave, Las nanomachas de varias capas desarrolladas en este trabajo eran más delgadas y más elásticas en comparación con el trabajo anterior realizado por el mismo equipo. Las construcciones mostraron una durabilidad y sostenibilidad notables durante las pruebas de estiramiento cíclico. La durabilidad mecánica fue una característica clave para las pruebas de monitoreo cutáneo de alta precisión a largo plazo en tiempo real. Los sensores de nanomeh son adecuados para una amplia gama de aplicaciones prácticas, incluida la monitorización remota de la salud personal, seguimiento del rendimiento deportivo de resistencia y como prótesis de interfaz piel-máquina. Wang y col. sugieren reemplazar la capa de oro de la superficie con nanomateriales conductores más rentables para construir dispositivos electrónicos de nanomaterias en el futuro. Los científicos prevén que estos constructos se volverán aplicables como dispositivos electrónicos implantables o sobre la piel futuristas para las actividades diarias de monitoreo de la atención médica.

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