La ‘piel inteligente’ reescribible y reciclable monitorea las señales biológicas a pedido

La piel puede enviar ciertas señales relacionadas con la salud, como que la piel seca se sienta más tirante para indicar la necesidad de humedad. Pero ¿qué pasaría si la piel pudiera ser más inteligente, capaz de monitorear y compartir información de salud específica, como la concentración de glucosa en el sudor o la frecuencia cardíaca? Esa fue la pregunta que impulsó a un equipo dirigido por investigadores de Penn State que recientemente desarrolló un dispositivo sensor adhesivo que se adhiere perfectamente a la piel humana para detectar y monitorear la salud del usuario.

Los detalles de la piel inteligente, incluida la forma en que se puede reprogramar de manera eficiente para detectar diversas señales e incluso reciclarse, se publicaron en Materiales avanzados. El artículo fue incluido en el «Estrellas en ascenso«, coordinada por varias revistas para destacar el trabajo de investigadores que inician su carrera en todo el mundo.

«A pesar de los importantes esfuerzos en sensores portátiles para el control de la salud, no ha habido dispositivos electrónicos multifuncionales con interfaz cutánea con adhesión intrínseca en una plataforma de un solo material preparada mediante métodos de fabricación eficientes y de bajo costo», dijo el coautor Huanyu «Larry» Cheng , Profesor Asociado James L. Henderson, Jr. Memorial de Ciencias de la Ingeniería y Mecánica en la Facultad de Ingeniería de Penn State.

«Este trabajo, sin embargo, presenta un parche de dispositivo adhesivo multifuncional, reprogramable y que se puede adherir a la piel, fabricado mediante trazado láser simple y de bajo costo».

Cheng explicó que las técnicas de fabricación convencionales para electrónica flexible pueden ser complicadas y costosas, especialmente porque los sensores construidos sobre sustratos flexibles, o capas fundamentales, no son necesariamente flexibles en sí mismos. La rigidez del sensor puede limitar la flexibilidad de todo el dispositivo.

El equipo de Cheng Sensores de biomarcadores desarrollados previamente utilizando grafeno inducido por láser. (LIG), que implica el uso de un láser para modelar redes 3D sobre un sustrato poroso y flexible. Las interacciones entre el láser y los materiales contenidos en el sustrato producen grafeno conductor.

«Sin embargo, los sensores y dispositivos basados ​​en LIG sobre sustratos flexibles no son intrínsecamente estirables y no pueden adaptarse para interactuar con la piel humana para la biodetección», dijo Cheng, señalando que la piel humana puede cambiar en forma, temperatura y niveles de humedad. especialmente durante el esfuerzo físico, cuando puede ser necesario controlar la frecuencia cardíaca, el rendimiento nervioso o los niveles de glucosa en el sudor. «Aunque la LIG se puede transferir a elastómeros estirables, el proceso puede reducir considerablemente su calidad».

Como resultado, dijo Cheng, es más difícil programar un dispositivo sensor para monitorear señales biológicas o electrofísicas específicas. Incluso cuando el dispositivo puede programarse adecuadamente, su rendimiento de detección a menudo se degrada.

«Para abordar estos desafíos, es muy deseable preparar LIG 3D poroso directamente sobre el sustrato estirable», dijo el coautor Jia Zhu, quien se graduó con un doctorado en ciencias de la ingeniería y mecánica de Penn State en 2020 y ahora es profesor asociado. en la Universidad de Ciencia y Tecnología Electrónica de China.

Los investigadores lograron este objetivo al fabricar un compuesto adhesivo con moléculas llamadas polvos de poliimida que agregan fuerza y ​​resistencia al calor y polietilenimina etoxilada a base de amina, un tipo de polímero que puede modificar materiales conductores, dispersados ​​en un elastómero de silicona o caucho. El compuesto estirable no solo admite la preparación directa de 3D LIG, sino que también su naturaleza adhesiva significa que puede adaptarse y adherirse a formas cambiantes y no uniformes, como las humanas.

Los investigadores confirmaron experimentalmente que el dispositivo puede controlar el valor del pH, las concentraciones de glucosa y lactato en el sudor y también puede detectarse mediante extracciones de sangre mediante punción en el dedo. También se puede reprogramar para controlar la frecuencia cardíaca, el rendimiento nervioso y las concentraciones de glucosa en el sudor en tiempo real.

La reprogramación es tan simple como aplicar cinta transparente sobre las redes LIG y despegarlas. Luego, el sustrato se puede volver a aplicar láser según nuevas especificaciones, hasta cuatro veces antes de que se vuelva demasiado delgado. Una vez que se vuelve demasiado delgado, todo el dispositivo se puede reciclar.

Lo más importante, según Cheng, es que el dispositivo sigue siendo adhesivo y capaz de monitorear incluso cuando la piel está resbaladiza con sudor o agua. Actualmente alimentado por baterías o nódulos de comunicación de campo cercano, como un cargador inalámbrico, el dispositivo podría potencialmente recolectar energía y comunicarse a través de frecuencias de radio, lo que, según los investigadores, daría como resultado una plataforma adhesiva independiente y estirable capaz de detectar los biomarcadores deseados y monitorear señales electrofísicas.

El equipo dijo que planean trabajar para lograr este objetivo, en colaboración con los médicos, para eventualmente aplicar la plataforma para controlar diversas enfermedades como la diabetes y monitorear problemas agudos como infecciones o heridas.

«Nos gustaría crear la próxima generación de piel inteligente con sensores integrados para monitorear la salud, además de evaluar cómo los distintos tratamientos impactan la salud, y módulos de administración de medicamentos para el tratamiento a tiempo», dijo Cheng.