Dispositivo di rilevamento SERS indossabile integrato con metamateriale plasmonico. (A) Disegno schematico che mostra il principio di funzionamento e il design del dispositivo, (B) che consisteva di due componenti principali (componente di estrazione del sudore e componente di rilevamento SERS) ed era disegnato per assomigliare a un simbolo yin-yang. La figura nel riquadro evidenzia l'interfaccia di rilevamento chiave vicino al metafilm. (C) Immagine ottica del dispositivo e (D) immagine ottica ingrandita del componente di estrazione del sudore. Un sottile strato di idrogel caricato con molecole (cloruro di acetilcolina) che stimolano le secrezioni delle ghiandole sudoripare è montato sull'elettrodo a maglia frattale a spirale. Si noti che per evidenziare il contrasto per l'esposizione, solo uno degli elettrodi è stato montato con lo strato di idrogel e il metafilm plasmonico. Credito fotografico:Yingli Wang, Università di Zhejiang. (E e F) Immagini di microscopia elettronica a trasmissione ad alta risoluzione (TEM) del componente di rilevamento SERS montato al centro dell'elettrodo, che è il metafilm plasmonico formato da un superreticolo ordinato di nanocubi d'argento (NC). Barre della scala, 1 cm (C), 5mm (D), 50 nm (E), e 5nm (F). Credito:progressi scientifici, doi:10.1126/sciadv.abe4553
La tecnologia di rilevamento indossabile è un collegamento essenziale nella medicina personalizzata, dove i ricercatori devono tenere traccia di più analiti all'interno del corpo contemporaneamente, ottenere un quadro completo della salute umana. In un nuovo rapporto su Progressi scientifici , Yingli Wang e un team di scienziati in biosistemi, ingegneria e scienze dell'informazione presso l'Università di Cambridge e la Zhejiang University nel Regno Unito e in Cina, ha presentato un sensore plasmonico-elettronico indossabile con capacità di riconoscimento molecolare "universale". Il team ha introdotto metasuperfici plasmoniche flessibili con attività di diffusione Raman (SERS) potenziata dalla superficie come componente fondamentale di rilevamento. Il sistema conteneva un processo flessibile di estrazione del sudore per estrarre in modo non invasivo e analiti di impronte digitali all'interno del corpo in base ai loro esclusivi spettri di dispersione Raman. Come prova del concetto, hanno monitorato con successo le quantità variabili di tracce di farmaci all'interno del corpo per ottenere un profilo metabolico individuale del farmaco. Il sensore ha colmato il divario nella tecnologia di rilevamento indossabile per fornire un universale, processo di tracciamento molecolare sensibile per valutare la salute umana.
Tecnologia dei sensori indossabili
Wang et al. ha presentato una piattaforma di rilevamento elettronico integrato plasmonico indossabile con una capacità di riconoscimento quasi "universale". Il rilevamento indossabile fornisce un collegamento al futuro della medicina personalizzata, ma tali sensori devono superare una discrepanza fondamentale tra una superficie elastica rigida e morbida per laminare in biointerfacce come la pelle, occhio, nervo e dente per valutare senza soluzione di continuità la salute umana. I dispositivi consentono ai ricercatori di valutare continuamente i segni vitali tra cui la frequenza cardiaca e la temperatura corporea, sudorazione e attività fisica. Nonostante il successo dei sensori fisici indossabili, Restano da realizzare tecniche di tracciamento delle molecole non invasive che forniscano informazioni sulle dinamiche del corpo umano a livello molecolare. Queste capacità sono vitali per la medicina di precisione personalizzata. In questo caso, Wang et al. mirava a sviluppare una nuova strategia con specificità di destinazione universale invece di avere un solo obiettivo per monitorare contemporaneamente più obiettivi. Il team ha sviluppato una nuova piattaforma utilizzando una metasuperficie plasmonica attiva con spettroscopia Raman (SERS) flessibile che funge da componente chiave di rilevamento e un sistema elettronico flessibile per estrarre automaticamente il sudore e gli analiti dal corpo.
Caratterizzazione del componente sensibile SERS del dispositivo. (A) Illustrazione schematica che mostra il principio di rilevamento SERS del metafilm NC. Gli analiti nel sudore estratto sono stati attratti dall'hotspot EM nel metafilm NC dal basso, che può essere rilevato in situ mediante tecnica SERS dal metafilm posteriore (eccitazione e raccolta all'indietro). (B) Simulazione FDTD del miglioramento del campo elettrico locale per l'hotspot EM nella metasuperficie NC. (C) Spettri SERS del metafilm NC immerso nella soluzione della molecola della sonda (CV) con varie concentrazioni (una media di 20 posizioni selezionate casualmente per ciascuna concentrazione con un tempo di acquisizione di 1 s e utilizzando un obiettivo 10 × e una potenza laser di 0,33 mW). (D) Mappa dell'intensità Raman (~ 1621 cm-1) del metafilm NC dopo il trattamento con la sonda Raman (CV, 10-5 M). (E) Confronto delle risposte SERS (~ 1621 cm-1) a varie soluzioni CV utilizzando approcci di raccolta all'indietro e in avanti. (F) Spettri SERS dei campioni di sudore umano contenenti diversi farmaci (0,2 M di lidocaina, 10-3 M di cocaina, e 10-5 M metotrexato) e il campione di sudore bianco (utilizzando un obiettivo 10× o 50× e un laser di potenza da 0,15 a 0,66 mW, con tempi di acquisizione da 6 a 30 s). Credito:progressi scientifici, doi:10.1126/sciadv.abe4553 
Il team ha rilevato le impronte digitali dello spettro SERS unico utilizzando il sensore indossabile. Come prova del concetto, hanno rilevato la variazione delle concentrazioni di farmaco nel corpo umano per ottenere il profilo metabolico del farmaco di un individuo. Il sensore indossabile integrato ha colmato il divario esistente nella diagnosi personalizzata per il monitoraggio in tempo reale di importanti composti biochimici. Gli scienziati hanno utilizzato la piattaforma di rilevamento per monitorare i segnali fisiologici o le concentrazioni di farmaci nel corpo umano per ottenere il profilo metabolico del farmaco di un individuo. Quindi, utilizzando il sensore indossabile integrato, hanno monitorato i segnali fisiologici o le concentrazioni di farmaci in un sistema di somministrazione di farmaci a feedback a circuito chiuso.
Il dispositivo di rilevamento indossabile integrato con metamateriali plasmonici conteneva due componenti principali tra cui un sottile strato di idrogel caricato con molecole per stimolare le secrezioni delle ghiandole sudoripare. Il team ha collegato questi costrutti a due elettrodi a maglia frattale a spirale per fungere da componente per l'estrazione del sudore. Wang et al. utilizzato il processo di ionoforesi (consegna transdermica di farmaci) per questa estrazione; ampiamente utilizzato come metodo di campionamento del sudore non invasivo nei dispositivi per scopi diagnostici e terapeutici. Hanno formato un meta-film plasmonico utilizzando un superreticolo di nanocubi d'argento ordinato per fungere da componente di rilevamento montato nella configurazione sperimentale. I forti campi elettromagnetici localizzati nel nanocubo hanno dato origine all'effetto SERS (surface-enhanced Raman scattering) per rilevare le molecole che si avvicinano alla superficie del metafilm. Hanno posizionato i due componenti su un sottile film polimerico a modulo ultrabasso per formare un sottile, supporto traspirante e fisicamente resistente per un'adesione cutanea non irritante. Usando gli elettrodi, il team ha applicato una leggera corrente elettrica per fornire cloruro di acetilcolina nello strato di idrogel alle ghiandole sudoripare secretorie per una rapida, produzione di sudore localizzata.
Caratteristiche meccaniche del dispositivo. (A) Immagini ottiche del sensore in deformazione. (B) Analisi della distribuzione della deformazione FEM dell'area dell'anello di guardia dell'elettrodo estensibile sotto varie distorsioni, indicando che l'anello di protezione può isolare grandi deformazioni all'elastomero morbido, evitando così deformazioni plastiche potenzialmente distruttive al componente di rilevamento SERS. (C) Risposte SERS del sensore sotto varie deformazioni. (D) Caratteristiche del sensore SERS dopo il test di allungamento ciclico. (E) Variazioni di resistenza nell'elettrodo sotto varie deformazioni. (F) Variazioni di resistenza nell'elettrodo dopo il test di allungamento ciclico. (G) Fotografie del sensore montato su pelle umana e (H) in varie condizioni. Credito fotografico:Xiangjiang Liu, Università di Zhejiang. Barre della scala, 1 mm (B) e 1 cm (G e H). Le barre di errore sono definite come ±SD. Credito:progressi scientifici, doi:10.1126/sciadv.abe4553 
Il sensore del dispositivo indossabile dipendeva dall'effetto SERS generato dal metafilm superlattice nanocubo d'argento ordinato, in base al quale il team ha rilevato l'obiettivo di interesse nel sudore estratto. All'inizio, hanno assemblato un singolo strato dell'array di nanocubi chiusi in corrispondenza dell'interfaccia liquido/aria e successivamente hanno trasformato il costrutto in un sottile supporto polimerico flessibile. Gli scienziati hanno quindi verificato la dimensione media del gap tra i nanocubi utilizzando immagini di microscopia elettronica a trasmissione (TEM) ad alta risoluzione e hanno eseguito simulazioni numeriche nel dominio del tempo a differenze finite (FDTD). La conformità meccanica e il contatto con la pelle del metafilm hanno consentito misurazioni ad alta fedeltà. Il team ha quindi sviluppato il film SERS e lo ha trasferito su un idrogel caricato con un agente agonista attaccato a elettrodi a rete frattale. Hanno utilizzato un design a spirale ultrasottile per aumentare la tolleranza del sistema che induce il sudore alle deformazioni meccaniche e hanno raggiunto questo obiettivo sviluppando una fase di progettazione di "isola interconnessa" per formare un film SERS fragile con un sistema elettronico morbido ed elastico. Il team ha confermato la durata dell'elettronica dopo 100 cicli di test, senza alcun degrado del segnale osservabile per adempiere perfettamente ai compiti richiesti da un sensore indossabile.
Prestazioni di rilevamento in vivo del nostro sensore. (A) Illustrazione schematica che mostra il principio di funzionamento del sistema di estrazione del sudore. (B) Variazione del contenuto di umidità della pelle dopo l'induzione periodica del sudore (usando l'idrogel contenente il 10% di acetilcolina cloruro, corrente di ionoforesi di 0,5 mA per 5 min). (C) Caratteristiche di secrezione del sudore indotta in risposta a diversi tempi di ionoforesi (da 0 a 10 min). La durata della secrezione rappresenta il tempo totale della conduttanza cutanea al di sopra della linea di base (misurazioni interrotte a 60 min). (D) Monitoraggio in tempo reale della nicotina nella pelle umana utilizzando il nostro sensore integrato (con estrazione del sudore) e (E) gruppi di controllo (senza attivare la corrente di ionoforesi per l'estrazione del sudore). Gli spettri sono stati raccolti utilizzando una potenza laser di 0,33 mW e un obiettivo 10× (tempo di acquisizione, 1 s). (F) Evoluzione del caratteristico picco Raman della nicotina dopo l'estrazione del sudore del gruppo di prova e del gruppo di controllo (senza accendere la corrente o senza applicare il cerotto alla nicotina). Credito:progressi scientifici, doi:10.1126/sciadv.abe4553
Applicazione di rilevamento biologico
Wang et al. poi volontari sani reclutati per misurazioni in vivo (fisiologiche) per dimostrare la capacità di estrazione del sudore del dispositivo. Gli scienziati hanno usato la nicotina come farmaco modello e hanno monitorato la concentrazione effettiva del farmaco nella pelle rispetto alla somministrazione del farmaco, assorbimento e tasso metabolico per individuo. Durante gli esperimenti hanno utilizzato un sensore SERS indossabile accoppiato a un alimentatore compatto e un'unità di controllo wireless sull'avambraccio dei volontari. Il dispositivo ha mostrato lo spettro SERS della nicotina nel sudore per corrispondere allo spettro dello standard della nicotina. I risultati hanno indicato come il sensore ha addestrato il comportamento metabolico della nicotina per consentire alla capacità del sensore indossabile di monitorare la farmacocinetica dinamica dei farmaci e il loro profilo metabolico. Il sensore, però, solo bersagli efficacemente rilevati immagazzinati nella sub-epidermide superficiale; perciò, i ricercatori dovranno capire come questo valore si correla con le concentrazioni di farmaco nel sangue o nel liquido interstiziale durante ulteriori studi.
Monitoraggio in vivo del processo di metabolizzazione della nicotina nella pelle umana. (A) Illustrazione schematica dell'esperimento. Un cerotto alla nicotina contenente circa 10 mg è stato attaccato all'avambraccio dei volontari per 2 ore e poi rimosso. Dopo che la pelle è stata accuratamente pulita, la nicotina rimanente nella pelle è stata estratta e analizzata dal nostro sensore. (B e C) Le evoluzioni delle restanti concentrazioni di nicotina sono state misurate dalle due posizioni (sensore A direttamente sull'area patchata; sensore B è attaccato a circa 2 cm di distanza). Ogni misurazione è stata effettuata dopo 20 minuti di estrazione del sudore (corrente di ionoforesi 0,5 mA, idrogel caricato al 10% di acetilcolina cloruro), e le risposte del sensore dei successivi 10 minuti sono state raccolte continuamente. I livelli medi di nicotina ottenuti sono mostrati nella figura. Le aree d'ombra indicano ±SD delle misurazioni. (D) Dipendenza dalla distanza delle concentrazioni di nicotina nel sudore estratto dopo il patching. Sei sensori sono stati posizionati lungo il braccio a una distanza da 0 a 12,5 cm dall'area del patch. Credito:progressi scientifici, doi:10.1126/sciadv.abe4553
Veduta
In questo modo, Yingli Wang e colleghi hanno mostrato un sensore integrato elettronico plasmonico indossabile come dispositivo indossabile di nuova generazione. Rispetto ai sensori elettrochimici indossabili esistenti, questo sensore ha mostrato una specificità del bersaglio più ampia e una maggiore stabilità. Il dispositivo integrato ha colmato il divario esistente nella diagnosi personalizzata e nella medicina di precisione per tracciare importanti molecole all'interno del corpo in tempo reale. Il team ha proposto applicazioni per monitorare segnali fisiologici e concentrazioni di farmaci in un sistema di somministrazione di farmaci con feedback a ciclo chiuso e si aspetta che il sensore indossabile ispiri una gamma di applicazioni multidisciplinari.
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