Logica di progettazione FESS, implementazione, e applicazione. (A) Schema del percorso di consegna delle informazioni sui biomarcatori abilitato dal FESS, illustrando il campionamento, rilevamento, e l'instradamento delle informazioni sui biomarcatori recuperati dall'epidermide all'elettronica di lettura attraverso una singola entità. (B) Razionale progettuale della FESS. (C) Attuazione rappresentativa del FESS, dimostrando flessibilità e nessuna interconnessione nel piano. (D) Famiglia rappresentativa di dispositivi FESS, contenente 1 × 2, 3 × 3, e 6 × 6 array di elettrodi. (E) Smartwatch sviluppato su misura e abilitato per FESS per il monitoraggio dei biomarcatori. (F e G) Utilizzo dello smartwatch abilitato FESS in ambienti stazionari (F) e di esercizio ad alta intensità (G). (Credito fotografico:Peterson Nguyen, Kaili Chiu, Yichao Zhao, Università della California, Los Angeles.) Credito: Progressi scientifici , doi:10.1126/sciadv.aaz0007
In un nuovo studio pubblicato su Progressi scientifici , Yichao Zhao e un team di ricerca in bioelettronica integrata, materiali e ingegneria negli Stati Uniti hanno progettato un dispositivo usa e getta, sistema di rilevamento elettrochimico indipendente (FESS). Il FESS ha permesso loro di realizzare una strategia di progettazione a livello di sistema per affrontare le sfide dei biosensori indossabili in presenza di movimento e consentire una perfetta integrazione con l'elettronica di consumo. Il team ha sviluppato uno smartwatch abilitato per FESS, con campionamento del sudore, rilevamento elettrochimico e visualizzazione o trasmissione di dati, all'interno di una piattaforma indossabile autonoma. Il team ha utilizzato lo smartwatch FESS per monitorare i profili dei metaboliti del sudore tra gli individui in contesti di esercizio sedentari e ad alta intensità.
L'infrastruttura Internet delle cose (IOT) può essere utilizzata nell'elettronica di consumo indossabile per trasformare la medicina personalizzata e di precisione raccogliendo dati fisiologicamente rilevanti con un intervento minimo da parte dell'utente. Gli scienziati hanno in genere utilizzato sensori fisici in piattaforme indossabili commerciali per monitorare l'attività fisica e i segni vitali di un utente. Però, per ottenere informazioni sulla chimica dinamica del corpo, i ricercatori richiedono superfici di rilevamento elettrochimiche per indirizzare le molecole dei biomarcatori all'interno di fluidi corporei recuperati in modo non invasivo come il sudore. Per realizzare questo, è fondamentale progettare con precisione il percorso di trasmissione delle informazioni dalla pelle a un'unità di lettura. Per il rilevamento elettrochimico, il percorso di trasmissione delle informazioni deve campionare e fornire il biofluido ricco di biomarcatori alla superficie del sensore in una struttura microfluidica, seguita dalla trasduzione del segnale attraverso elementi interconnessi all'elettronica di lettura. Il segnale deve essere mantenuto lungo questo percorso in presenza di deformazione indotta dal movimento.
Rilevamento in situ di ispirazione biologica e interconnessione del segnale. (A) Illustrazione concettuale dello scambio di informazioni fisiologiche tra matrici intracellulari/extracellulari facilitato da molecole adesive cellulari (integrina) tramite rilevamento, interconnessione del segnale fuori piano, e adesione su entrambi i lati. (B) rilevamento in situ, interconnessione del segnale fuori piano, e l'adesione su entrambi i lati consentita da FESS, come un'unica entità, posto tra la pelle e l'elettronica. Credito:progressi scientifici, doi:10.1126/sciadv.aaz0007
In questo lavoro, Zhao et al. ha sviluppato il sistema di rilevamento elettrochimico indipendente (FESS) e l'ha fatto aderire contemporaneamente alla pelle e all'elettronica utilizzando forze di adesione su entrambi i lati senza connettori rigidi. Il FESS ha campionato e diretto i biofluidi recuperati dall'epidermide per il rilevamento elettrochimico, seguito dall'instradamento all'elettronica di lettura attraverso un percorso isolato dal ceppo. Hanno integrato il FESS all'interno di uno smartwatch personalizzato per l'induzione del sudore, campionamento, rilevamento elettrochimico, elaborazione del segnale e visualizzazione o trasmissione dei dati. I risultati hanno mostrato una trasduzione del segnale ad alta fedeltà e un robusto contatto meccanico con la pelle umana senza limitare il movimento dell'utente. Il sistema di rilevamento indipendente può essere collegato a futuri dispositivi elettronici indossabili per generare set di dati ad alta fedeltà relativi alla salute e al benessere basati sulle attività quotidiane degli utenti.
Per creare un percorso biologico efficiente, Zhao et al. integrina selezionata, una molecola adesiva cellulare che ha consentito in modo efficiente lo scambio di informazioni fisiologiche tra matrici intracellulari ed extracellulari. Il dispositivo FESS ha implementato funzionalità simili all'integrina attraverso una regione isolata dal ceppo in una struttura microfluidica. Hanno progettato FESS come un conduttore verticale, sistema di film sottile bioanalitico microfluidico flessibile e biadesivo composto da più film impilati verticalmente. Questi film includevano un film conduttivo anisotropo adesivo (ACF), un film di serie di elettrodi in metallo nobile, un film biochimico, un film microfluidico e un film adesivo cutaneo. Hanno registrato l'intero sistema a film sottile sull'elettronica di lettura senza connettori e con una resistenza di contatto minima per trasformare potenzialmente qualsiasi contatto elettrico in un sensore chimico o biologico. Il team ha sviluppato una prova di principio, smartwatch autonomo con rilevamento di biomarcatori con FESS per monitorare i profili dei metaboliti del sudore di individui in ambienti sedentari rispetto a quelli ad alto esercizio.
Simulazione di deformazione FESS e caratterizzazione dell'interconnessione del segnale isolato dalla deformazione. (A) Illustrazione dell'interconnessione del segnale fuori piano del FESS rispetto all'interconnessione del segnale nel piano convenzionale. Le implementazioni convenzionali sono vincolate all'instradamento del segnale attraverso regioni altamente sollecitate, mentre il FESS ideato consente il routing attraverso regioni di deformazione vicine allo zero. (B) Profilo di deformazione (ε) simulato da COMSOL di un FESS rappresentativo in presenza di una forza di taglio applicata esternamente, illustrando la deformazione quasi zero nella parte inferiore del microcanale (cioè, interfaccia substrato-biofluido). (C) Visualizzazione ingrandita corrispondente del profilo di deformazione per un "pixel". (D) Distribuzione della deformazione lungo la linea tratteggiata in (C). (E) Caratterizzazione elettrica dell'interconnessione fuori piano di FESS eseguita con diversi angoli di piegatura localizzati (per una matrice di elettrodi 6 × 6 Au). (F) Resistenze di interconnessione del FESS-FPCB piegato (RFESS + RFPCB), per diversi angoli di piegatura localizzati (normalizzati rispetto a RFPCB senza piegatura, RFPCB, 0). Le barre di errore indicano l'errore standard delle misurazioni sui sei elettrodi all'interno di ciascuna colonna. (G) Misure di resistenza degli elettrodi FESS sotto diversi angoli di piegatura (n =36), in relazione alla resistenza del pad di contatto FPCB (RFPCB, 0). (H a J) Prove di peeling a 180° che caratterizzano l'adesione di interconnessione tra PCB e FESS con diverse strutture di supporto:microfluidica base–ACF (H), canale microfluidico-ACF (I), e un array di canali microfluidici rappresentativo-ACF (J). (Credito fotografico:Peterson Nguyen, Università della California, Los Angeles.) Credito: Progressi scientifici , doi:10.1126/sciadv.aaz0007
In questa configurazione, la conduttività verticale dell'ACF ha facilitato le interconnessioni del segnale fuori dal piano per evitare effetti di deformazione indesiderati indotti dal movimento del corpo sulle vie del segnale. Il team ha caratterizzato la proprietà di adesione meccanica di FESS per garantire che le forze di adesione tra il FESS e l'elettronica fossero superiori a quelle tra FESS e la pelle secca o con sudorazione attiva. Il team ha testato la forza necessaria per staccare lo strato ACF dal FESS su un circuito stampato e i risultati hanno mostrato una forte interconnessione basata su FESS con l'elettronica, adatto per applicazioni sul corpo.
Zhao et al. quindi testato la capacità di trasduzione del segnale del FESS. Hanno modellato elettrodi di metallo nobile sull'ACF per ottenere la trasduzione del segnale da biochimico a elettrico, seguita dalla deposizione di film biochimici per analizzare bersagli biomolecolari di interesse. Hanno testato l'attività elettrochimica dell'ACF con motivi metallici per due superfici di elettrodi comunemente usate su oro non modificato (Au) e platino (Pt) modificato con nanoparticelle di Au. I metodi elettroanalitici studiati nel lavoro hanno fornito letture di biomarcatori campione-risposta per ottenere informazioni in tempo reale sulle alterazioni nella biocomposizione del sudore.
Testare la misurazione della resistenza delle interconnessioni basate su ACF dopo la deformazione meccanica. Credito:progressi scientifici, doi:10.1126/sciadv.aaz0007
Nei prossimi esperimenti, il team di ricerca ha mostrato la capacità di FESS di monitorare i biomarcatori durante le attività quotidiane dell'utente. Per realizzare questo, hanno integrato FESS in uno smartwatch sviluppato su misura come un modello di dispositivo IOT contenente e circuito analogico/digitale, Ricetrasmettitore Bluetooth e schermo a cristalli liquidi (LCD) per funzionalità a livello di sistema, compresa l'elaborazione del segnale e del comando dell'utente, display e comunicazione dati wireless. Lo smartwatch basato su FESS ha funzionato in modo simile a un potenziostato. Gli scienziati hanno applicato lo smartwatch completo sulla pelle senza involucri esterni o dispositivi per il rilevamento di biomarcatori wireless come un'unità autonoma. Lo schermo LCD mostrava le letture in tempo reale e il profilo temporale delle misurazioni dei biomarcatori, mentre il ricevitore Bluetooth trasmetteva le letture a un'applicazione mobile sviluppata su misura per caricare i dati su un server cloud per ulteriori analisi.
Il team ha applicato lo smartwatch basato su FESS sull'avambraccio di un soggetto per mostrare la sua funzione di sistema indossabile per monitorare i biomarcatori. Il soggetto potrebbe controllare in modalità wireless il dispositivo per scattare in tempo reale, misurazioni di biomarcatori basati sul sudore relative alla routine quotidiana dell'utente. L'utente ha monitorato i propri livelli di glucosio nel sudore prima o dopo aver consumato una gamma mista di pasti e la lettura dello smartwatch ha indicato livelli elevati di glucosio nel sudore dopo l'assunzione di cibo, in linea con le tendenze precedenti. Lo smartwatch ha inoltre fornito informazioni all'utente sulle letture del lattato nel sudore durante la corsa in un campo, i risultati sono stati coerenti nonostante il coinvolgimento di movimenti del corpo ad alta frequenza e ad alta accelerazione.
Smartwatch integrato FESS sviluppato su misura per l'applicazione sul corpo. (A) Illustrazione dello smartwatch abilitato per FESS (contenente FESS, Schermo a cristalli liquidi, PCB, e le unità batteria alloggiate all'interno di una custodia stampata in 3D). (B e C) Caratterizzazione ex situ della risposta del sistema di rilevamento del glucosio FESS-PCB alla vibrazione vorticosa (elettrodo FESS:6 mm2, altezza del canale microfluidico:170 μm, e volume:4 μl). I profili di accelerazione vibrazionale sono presentati nella metà superiore, e le risposte del sensore vengono catturate nella metà inferiore quando testate in PBS (B) e glucosio 100 μM in PBS (C). (D a G) Caratterizzazione della fedeltà del segnale sul corpo di un sistema di rilevamento del lattato FESS-PCB con un soggetto che esegue shadow boxing (D), braccio oscillante (E), torsione del polso (F), e dispositivo premendo (G). L'accelerazione, frequenza, orientamento, e i profili di forza sono presentati nella metà superiore, e le risposte del sensore vengono catturate nella metà inferiore. (H a J) Monitoraggio dei profili dei metaboliti dei soggetti attraverso vari eventi quotidiani e in diversi contesti. La glicemia indotta da iontoforesi è stata misurata prima e dopo pranzo (H) e cena (I). (J) Misurazioni del lattato del sudore durante l'esercizio (a destra è mostrato un profilo di accelerazione indotto dal movimento rappresentativo). (Credito fotografico:Peterson Nguyen, Kaili Chiu, e Yichao Zhao, Università della California, Los Angeles.) Credito: Progressi scientifici , doi:10.1126/sciadv.aaz0007
In questo modo, Yichao Zhao e colleghi hanno esaminato il percorso di trasmissione delle informazioni sui biomarcatori e hanno riconosciuto regioni sottoposte a tensione quasi zero all'interno di un modulo di rilevamento microfluidico per progettare un percorso isolato dal ceppo per preservare la fedeltà dei dati dei biomarcatori. Il sistema a film sottile che ha formato l'entità FESS indipendente è stato bioispirato da funzionalità simili alle integrine per la trasduzione del segnale e l'interconnessione del segnale tramite adesione su due lati. Il FESS ha collegato in modo efficiente la pelle e l'elettronica di lettura per raccogliere informazioni sui biomarcatori. Il team ha abbinato perfettamente il sistema FESS a uno smartwatch sviluppato su misura come biosensore indossabile per monitorare le letture dei biomarcatori in tempo reale durante la routine quotidiana di un utente. Per commercializzare il prototipo sviluppato in questo lavoro, Zhao et al. proporre futuri studi clinici per mappare le letture dei biomarcatori basati sul sudore e ottenere informazioni sullo stato fisiologico degli utenti. I vantaggi di questo lavoro, compresa la loro facilità di integrazione con l'elettronica indossabile e le letture ad alta fedeltà possono essere impiegate per eseguire indagini cliniche su larga scala.
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