Senzor purtabil fără baterie pentru monitorizarea sănătății prin analizarea transpirației
Cercetătorii de la Universitatea din California, Irvine, au dezvoltat un senzor purtabil, wireless, fără baterie, care monitorizează sănătatea utilizatorilor prin analiza biomarkerilor moleculare din transpirație.
Dispozitivul se numește Sistem de Senzor Molecular pentru Transpirație Regenerabil în Situ, Stabil din Punct de Vedere Ecologic, Multimodal, Wireless și Purtabil, sau IREM-W2MS3, și este descris într-un studiu publicat recent în revista Nature Biomedical Engineering.
Rahim Esfandyar-pour, autor senior al studiului și profesor asistent de inginerie electrică și informatică, a subliniat caracteristicile remarcabile ale invenției, inclusiv capacitatea sa de regenerare a suprafețelor de detecție a transpirației, de a induce transpirația utilizatorilor atunci când este necesar și de a funcționa continuu pe perioade lungi de timp.
Capacitatea de regenerare a IREM-W2MS3 abordează una dintre cele mai mari provocări în biosenzorii purtabili pe termen lung, și anume suprafețele senzorilor care își pierd performanța după măsurători repetate din cauza moleculelor care rămân legate de stratul de detectare. Prin auto-refrescare, generarea transpirației și utilizarea pe durate lungi în afara laboratoarelor sau a setărilor clinice, dispozitivul oferă utilizatorilor o platformă robustă și extrem de practică pentru monitorizarea sănătății.
Purtați ca un plasture flexibil pe piele și asociat cu un smartphone standard Android sau un cititor personalizat asemănător unui ceas de mână, sistemul monitorizează simultan cortizolul, glucoza, lactatul și ureea din transpirație. Acești biomarkeri sunt asociați cu răspunsul la stres, activitatea metabolică, efortul fizic și funcția renală.
Conform cercetătorilor, platforma ar putea susține aplicații viitoare în gestionarea bolilor cronice, monitorizarea stresului și sănătății mentale, performanța sportivă, medicina preventivă, cercetarea pentru depistarea timpurie a bolilor și monitorizarea sănătății comunității la distanță.
„Bolile cronice și condițiile legate de stres afectează sute de milioane de oameni la nivel mondial, ceea ce face ca diagnosticul timpuriu și monitorizarea constantă a sănătății să fie esențiale pentru reducerea poverii bolii și îmbunătățirea calității vieții pacienților”, a declarat Esfandyar-pour. „Senzorul nostru IREM-W2MS3 îndeplinește obiectivul unei monitorizări stabile, continue și pe termen lung a transpirației.”
Senzorii purtabili au apărut ca instrumente promițătoare pentru monitorizarea sănătății, deoarece pot fi rentabili și ușor de utilizat. Transpirația reprezintă o țintă atrăgătoare, deoarece poate fi colectată noninvaziv și conține ioni și metaboliți care reflectă schimbările biologice care au loc în organism.
Cu toate acestea, obținerea unei detecții fiabile pe termen lung a transpirației a fost dificilă, conform lui Esfandyar-pour, care a menționat că mulți senzori moleculare își pierd acuratețea pe măsură ce moleculele țintă se acumulează pe suprafața de detecție.
Alți senzori se bazează pe colectarea enzimelor, anticorpilor sau aptamerilor care pot degrada sub condiții variabile de temperatură, umiditate și pH. Sistemele existente se confruntă adesea cu dificultăți în a măsura simultan mai mulți biomarkeri cu precizie ridicată.
„În ciuda progreselor rapide în domeniu, dispozitivele purtabile existente au avut constant deficiențe în mai multe domenii critice”, a spus Esfandyar-pour. „Acestea nu au stabilitate ecologică pentru utilizarea în lumea reală, nu pot regenera suprafețele de detecție pentru utilizare repetată pe termen lung și sunt în mare parte incapabile să detecteze simultan multiple biomarkeri moleculare cu precizie ridicată.”
Conform lui Esfandyar-pour, avansul definitoriu al IREM-W2MS3 este capacitatea sa de regenerare a suprafețelor de detecție a transpirației. În timpul funcționării, dispozitivul aplică automat o tensiune joasă pe suprafața de detecție, care eliberează semnale pentru a restabili sensibilitatea și selectivitatea senzorului fără curățare, înlocuire sau intervenție manuală. În teste, procesul de regenerare a atins o rată de recuperare aproape completă pe parcursul mai multor cicluri, conform cercetătorilor.
Sistemul abordează și o altă provocare importantă în monitorizarea transpirației: generarea unei cantități suficiente de transpirație proaspătă pentru analiză fără a necesita exerciții fizice.
Plasturele IREM-W2MS3 nu necesită o baterie internă. În schimb, acesta extrage energie fără fir de la un smartphone sau un cititor personalizat activat prin comunicare de câmp apropiat. Atunci când utilizatorul apropie telefonul sau cititorul de plasture, un câmp electromagnetic indus furnizează un curent mic pentru a activa un hidrogel biocompatibil integrat în dispozitiv. Acest proces permite sistemului să genereze și să colecteze probe de transpirație fără a necesita activitate fizică intensă.
Echipa de cercetare a testat IREM-W2MS3 în condiții variate de pH și temperatură pe o perioadă continuă de 21 de zile. Dispozitivul a demonstrat o performanță constantă de detecție fără degradarea semnalului măsurabil. Stabilitatea aceasta este importantă pentru trecerea senzorilor moleculare purtabili din medii de laborator controlate în setări de viață reală.
Senzorul detectează simultan patru biomarkeri relevanți clinic. Cortizolul este un hormon de răspuns la stres care oferă informații despre anxietate, depresie și disfuncția axei hipotalamo-hipofizare. Glucoza este relevantă pentru monitorizarea prediabetului și diabetului. Lactatul poate reflecta efortul fizic sau disfuncția metabolică. Urea este asociată cu sănătatea și funcția renală.
Monitorizând aceste molecule împreună, continuu și în timp, IREM-W2MS3 poate oferi o imagine mai amplă decât dispozitivele care monitorizează doar un singur biomarker.
„Aplicațiile pentru IREM-W2MS3 sunt numeroase și variate”, a spus Esfandyar-pour. „Utilizările potențiale includ gestionarea bolilor cronice, monitorizarea stresului și sănătății mentale, știința sportivă și optimizarea performanței, medicina preventivă și depistarea timpurie a bolilor, precum și monitorizarea sănătății comunității la distanță. Am proiectat acest dispozitiv purtabil pentru a fi durabil, ușor de utilizat și extrem de fiabil.”
Echipa de cercetare a depus o cerere de brevet prin Beall Applied Innovation al UC Irvine, iar tehnologia este în prezent în curs de dezvoltare suplimentară. Echipa explorează căi pentru traducerea și fabricarea acesteia.
