En un estudio reciente publicado en Science Advances , investigadores del Instituto de Tecnología de California, dirigidos por el Dr. Wei Gao, han desarrollado una piel electrónica epifluídica impresa en 3D impulsada por aprendizaje automático (ML) para la vigilancia de la salud multimodal. Esta plataforma portátil permite el seguimiento físico y químico del estado de salud en tiempo real.
Los dispositivos de salud portátiles tienen el potencial de revolucionar el mundo médico, ofreciendo seguimiento en tiempo real, tratamientos personalizados y diagnóstico temprano de enfermedades.
Sin embargo, uno de los principales desafíos de estos dispositivos es que no rastrean datos a nivel molecular y su fabricación es un desafío. El Dr. Gao explicó por qué esto sirvió de motivación para su equipo.
"Hoy en día, existe un creciente interés de investigación en la atención médica personalizada para revolucionar las prácticas médicas tradicionales. Para superar estos desafíos, empleamos nuestra tecnología de impresión 3D para crear componentes esenciales, como sensores físicos, sensores químicos, microfluidos y supercondensadores, para nuestros dispositivos portátiles. plataforma", dijo el Dr. Gao a Phys.org.
El Dr. Gao y su equipo han hecho exactamente eso al realizar la producción en masa de una plataforma portátil llamada e 3 -piel, que se imprime en 3D sobre materiales personalizados.
e 3 -skin:una piel electrónica epifluídica impresa en 3D
El nombre e 3 -piel se deriva de "piel electrónica elástica epifluídica". Es un sistema portátil impreso en 3D que monitorea continuamente varios parámetros fisiológicos y predice respuestas de comportamiento.
El Dr. Gao explicó los diversos componentes de e 3 -skin, diciendo:"Todos los componentes principales de la plataforma portátil, incluidos sensores físicos, sensores químicos, microfluidos y microsupercondensadores de almacenamiento de energía, podrían prepararse fácilmente mediante extrusión de impresión 3D de diversos materiales funcionales".
¿Qué establece el e 3 ? -Aparte de la piel están los sensores bioquímicos impresos en 3D y el sistema de microfluidos. La integración de la tecnología de impresión 3D es un aspecto fundamental del e 3 -creación de la piel.
La impresión 3D ofrece precisión y personalización, lo que permite a los investigadores diseñar y fabricar con precisión componentes esenciales. Esto simplificó la producción y permitió la integración de estructuras y materiales complejos, incluidos los sensores bioquímicos y los microfluidos impresos en 3D.
El Dr. Gao explicó además:"Los sensores bioquímicos portátiles podrían proporcionar información de salud crucial a niveles moleculares. Cuando se combinan con sensores biofísicos, pueden proporcionar información más completa sobre nuestro estado de salud".
Además, el uso de microfluidos, la ciencia que manipula y controla pequeñas cantidades de fluidos dentro de pequeños canales o dispositivos, les ha ayudado a analizar los biomarcadores del sudor humano. Los microfluidos pueden inducir el sudor automáticamente mediante iontoforesis, recolectarlo sin necesidad de realizar una actividad extenuante, minimizar la evaporación del sudor y facilitar el análisis bioquímico en tiempo real con muestras de sudor fresco.
El e 3 Las capacidades de -skin se extienden más allá de sus componentes de hardware. Integra algoritmos de ML, que desempeñan un papel fundamental en su funcionalidad. Pero antes de profundizar en el aprendizaje automático, es esencial comprender el extraordinario material que compone el e 3 . -piel posible:MXene.
MXene, una familia de materiales 2D, es un material versátil conocido por sus propiedades únicas. Ti acuoso3 C2 Tx (MXene) sirvió como tinta para imprimir en 3D las interconexiones y los sensores biofísicos del e 3 . -piel.
El equipo utilizó MXene para abordar una limitación de los sistemas portátiles actuales. En palabras del Dr. Gao, "la mayoría de los sistemas portátiles actuales dependen de baterías, que son rígidas, voluminosas e insuficientes, y requieren un reemplazo frecuente".
Para abordar esta limitación, el e 3 -skin integra una célula solar, que recolecta energía de la luz ambiental y la almacena de manera eficiente en microsupercondensadores basados en MXene impresos en 3D. Esta innovación permite un funcionamiento sostenible y sin baterías para el control de la salud a largo plazo durante las actividades diarias.
Las nanohojas MXene poseen propiedades como superficies cargadas negativamente e hidrofilicidad, que les permiten dispersarse y permanecer estables en el agua. Esto permite una impresión precisa, con filamentos MXene que tienen anchos de línea ajustables y la capacidad de adherirse a sustratos flexibles, como la piel humana.
El Dr. Gao enfatizó además:"Los filamentos MXene impresos pueden formar matrices uniformes con patrones intrincados, lo que permite la creación de estructuras complejas dentro del e 3 -piel."
La versatilidad de MXene se extiende a la detección de temperatura, con sensores que muestran un coeficiente de temperatura negativo y estabilidad al desgaste.
Para el monitoreo del pulso, MXene, en combinación con nanotubos de carbono, forma sensores con diseños de espuma personalizables, lo que garantiza una alta sensibilidad y durabilidad. En particular, esto permite una monitorización fiable del pulso radial en seres humanos.
Además, el e 3 -Las capacidades de la piel se extienden a predecir respuestas conductuales al consumo de alcohol, lo cual demostraron. El Dr. Gao afirmó:"En nuestro caso, utilizamos el e 3 -piel para recopilar información sobre el alcohol en el sudor y los signos vitales (como la frecuencia cardíaca y la temperatura de la piel), lo que proporciona una visión más completa de las respuestas de comportamiento".
ML analiza estos datos para predecir el tiempo de respuesta de un individuo y el grado de deterioro. El alcohol en el sudor juega un papel fundamental en la predicción del tiempo de respuesta, mientras que la frecuencia cardíaca complementa el alcohol en el sudor para una predicción más precisa del deterioro.
e 3 -La piel es muy prometedora y cosecha lo mejor del aprendizaje automático, los materiales y la medicina. "e 3 -skin ofrece interesantes oportunidades para hacer avanzar los biosensores portátiles hacia aplicaciones prácticas en la atención sanitaria moderna", destacó el Dr. Gao.
Con su monitoreo continuo de biomarcadores vitales y su extensa recopilación de datos, tiene el potencial de predecir deterioros cognitivos y conductuales y monitorear diversos aspectos de la salud.
Los datos recopilados por el e 3 -piel podría mejorar la atención médica personalizada al permitir una alerta temprana, un diagnóstico temprano y una intervención oportuna para maximizar los resultados de salud.
El Dr. Gao concluyó afirmando:"Los grandes conjuntos de datos recopilados por estos dispositivos portátiles multimodales en las actividades diarias, junto con los algoritmos de aprendizaje automático modernos, pueden extraer la relación subyacente del nivel de biomarcador con condiciones de salud complejas.
"De este modo, promete remodelar el campo del monitoreo de la salud portátil y potenciar la atención médica personalizada basada en datos".
Más información: Yu Song et al, piel electrónica epifluídica impresa en 3D para vigilancia de la salud multimodal impulsada por aprendizaje automático, Science Advances (2023). DOI:10.1126/sciadv.adi6492
Información de la revista: Avances científicos
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