Progresele în bioelectronică elastică transformă monitorizarea sănătății prin dispozitive purtabile și implantabile
Dispozitivele biosenzorilor purtabili și implantabili au un potențial enorm de a revoluționa îngrijirea sănătății prin diagnosticarea, monitorizarea și chiar tratarea unei game variate de afecțiuni. Inovațiile recente din laboratorul lui Wei Gao, profesor de inginerie medicală la Caltech, avansează acest domeniu prin crearea de bioelectronice moi și elastice, integrate în țesuturi, pentru monitorizare continuă și terapie adaptivă.
Două studii recente subliniază progresele complementare în materie de materiale și tehnologie, abordând provocări și aplicații diferite.
Pentru a permite monitorizarea medicală care să se miște flexibil cu corpul și chiar cu organe interne, precum inima care bate, cercetătorii din laboratorul lui Gao au dezvoltat un material bioelectronic care menține conductivitatea și o conexiune puternică cu pielea sau țesuturile pe măsură ce se deformează. Noul material, denumit „interfață elastică pentru senzori electrochimici rezilienți” (SIRES), poate fi întins cu până la 300% fără a-și pierde capacitatea de a transmite semnale electrice de înaltă calitate. Gao și colegii săi au descris SIRES într-un articol publicat în numărul din 28 mai al revistei Science.
Când cercetătorii atașează un senzor chimic unui organ intern, scopul este de a măsura biomoleculele care indică starea de sănătate. Totuși, din cauza materialelor utilizate pentru crearea acestor senzori, adesea, atunci când organul se mișcă, senzorul fie eșuează, fie devine nesigur în performanța sa. Pentru a aborda această problemă, echipa lui Gao, condusă de Yadong Xu, un fost cercetător postdoctoral, și studenții absolvenți Xiaotian Ma și Kexin Fan, a dezvoltat un material în trei părți care utilizează poliuretan, un elastomer (un solid asemănător cauciucului) care este, de asemenea, biocompatibil.
În primul rând, în loc să folosească fire conductoare standard în cadrul dispozitivului, cercetătorii s-au orientat spre metalul lichid pentru a acționa ca conductor. Metalul lichid poate fi întins, menținând aceeași rezistență electrică. Prin urmare, amestecând metalul lichid cu poliuretan, oamenii de știință au creat un conductor rezistent la deformare.
În al doilea rând, au creat un electrod flexibil și stabil pentru monitorizare. De obicei, electrozii din biosenzori sunt realizați din metal, cum ar fi aurul, sau din nanotuburi de carbon, dar acestea pot crăpa chiar și la o mică întindere. Nanotuburile sunt excelente în detectarea schimbărilor electrice când o moleculă țintă se leagă de suprafața lor. Echipa lui Gao a încorporat nanotuburi de carbon în poliuretan, oferind nanotuburilor capacitatea de a se întinde, rămânând interconectate. Când ansamblul de nanotuburi se elonghează, unele dintre legăturile dintre nanotuburi se rup, determinând o scădere a conductivității electrice. Totuși, deoarece suprafața totală a electrodului crește și ea odată cu întinderea, mai multe molecule pot fi schimbate la senzor, contracarând astfel scăderea.
„Dacă ajustezi nivelul nanotuburilor de carbon corespunzător, cele două efecte se echilibrează și obții un răspuns stabil”, afirmă Gao. „Așadar, chiar și în cazul unui organ care se deformează foarte mult, cum ar fi o inimă care bate, performanța senzorului nu va varia.”
Cea de-a treia componentă a SIRES este un strat funcțional elastic de poliuretan care permite cercetătorilor să încorporeze enzimele necesare pentru monitorizarea chimică.
Conductorul, electrodul și pelicula funcțională sunt toate realizate din poliuretan, încorporând diverse elemente. Aceasta înseamnă că întregul dispozitiv este foarte elastic și, de asemenea, biocompatibil.
Echipa a testat SIRES cu senzorii de transpirație ai grupului, demonstrând că, chiar și în timpul exercițiilor fizice intense, senzorii își mențin performanța stabilă. De asemenea, au testat materialul cu succes în senzori implantabili pe modele animale, pe organe precum vezica urinară, inimă, stomac și intestin, toate acestea deformându-se semnificativ în timpul funcționării normale.
O altă provocare în realizarea senzorilor implantabili fiabili este necesitatea ca aceștia să rămână atașați de suprafețe umede, ideal pentru perioade lungi de timp. Într-un articol publicat în Nature Materials pe 10 iunie, Gao și membrii laboratorului său au prezentat un nou dispozitiv care nu doar că se lipește de organe și alte structuri interne, dar poate oferi și intervenții terapeutice, după cum este necesar.
„Ceea ce este incitant în această lucrare este că am dezvoltat o platformă implantabilă moale și elastică care se poate lipi ferm de țesuturi umede, rămânând stabilă chiar și în timp ce corpul se mișcă”, spune Jiahong Li. „Dispozitivul poate monitoriza simultan semnale fizice și chimice și poate livra stimulări electrice, ceea ce ar putea ajuta la crearea unor interfețe mai fluide și durabile între electronice și corp.”
Asemenea studiului SIRES, echipa a folosit strategii compozite cu metal lichid elastic și elastomer pentru a crea senzori biofizici și biochimici care mențin o performanță electrochimică stabilă sub deformări mari, precum cele cauzate de un stomac în expansiune. Dar, pentru ca platforma să funcționeze în interiorul corpului, a fost necesar să dezvolte un nou adeziv care să o facă să se lipească de țesuturile umede.
Gao și membrii echipei sale au creat un hidrogel molecular, o structură în rețea 3D realizată din materiale bogate în apă pentru a menține adezivul moale și flexibil. Au încorporat un elastomer asemănător cauciucului pentru a asigura faptul că substanța poate fi întinsă împreună cu biosenzorii. Când hidrogelul intră în contact cu țesutul umed, are loc o reacție chimică numită polimerizare, care leagă țesutul de dispozitiv.
„Dispozitivul nu doar că se lipește de un organ, dar arătăm și că aderarea poate fi foarte, foarte puternică”, spune Gao. „Acestea pot menține stabilitatea timp de luni, astfel încât să poți avea o interfață stabilă.”
Prin asocierea unui adeziv puternic cu senzori chimici elastici și electrozi pentru monitorizarea fizică și stimularea electrică, cercetătorii au reușit să construiască o platformă mică și implantabilă, numită ElHyX (Elastic Hydrogel X, cu X reprezentând multifuncționalitatea platformei), care poate monitoriza și trata boli. De exemplu, Gao și Li demonstrează că dispozitivul ar putea fi utilizat pentru monitorizarea electrocardiogramelor in vivo, monitorizarea glucozei și stimularea nervilor.
„Într-un model animal, am folosit senzorul chimic pentru a monitoriza nivelurile de glucoză și am stimulat nervii care reglează secreția de insulină atunci când glucoza a crescut prea mult, pentru a le menține într-un interval sănătos pentru gestionarea diabetului”, spune Gao. „Monitorizarea fizică a inimii poate, de asemenea, urmări hipertensiunea asociată diabetului. Acest tip de sistem închis multifuncțional nu este ceva demonstrat anterior.”
Componentele platformei ElHyX pot fi realizate
