In un recente studio pubblicato su Science Advances , i ricercatori del California Institute of Technology, guidati dal dottor Wei Gao, hanno sviluppato una pelle elettronica epifluidica stampata in 3D basata sull’apprendimento automatico (ML) per la sorveglianza sanitaria multimodale. Questa piattaforma indossabile consente il monitoraggio fisico e chimico in tempo reale dello stato di salute.
I dispositivi sanitari indossabili hanno il potenziale per rivoluzionare il mondo della medicina, offrendo monitoraggio in tempo reale, trattamenti personalizzati e diagnosi precoce delle malattie.
Tuttavia, una delle sfide principali di questi dispositivi è che non tracciano i dati a livello molecolare e la loro fabbricazione è impegnativa. Il dottor Gao ha spiegato perché questo è servito come motivazione per il loro team.
“Al giorno d’oggi, c’è un crescente interesse della ricerca verso l’assistenza sanitaria personalizzata per rivoluzionare le pratiche mediche tradizionali. Per superare queste sfide, utilizziamo la nostra tecnologia di stampa 3D per creare componenti essenziali, come sensori fisici, sensori chimici, microfluidica e supercondensatori, per i nostri dispositivi indossabili. piattaforma", ha detto il Dr. Gao a Phys.org.
Il dottor Gao e il suo team hanno fatto esattamente questo realizzando la produzione in serie di una piattaforma indossabile chiamata e 3 -skin, che viene stampato in 3D su materiali personalizzati.
e 3 -skin:una pelle elettronica epifluidica stampata in 3D
Il nome e 3 -skin deriva da "pelle elettronica elastica epifluidica". Si tratta di un sistema indossabile stampato in 3D che monitora continuamente vari parametri fisiologici e prevede risposte comportamentali.
Il dottor Gao ha spiegato i vari componenti di e 3 -skin, affermando:"Tutti i componenti principali della piattaforma indossabile, inclusi sensori fisici, sensori chimici, microfluidica e micro-supercondensatori per l'accumulo di energia, potrebbero essere facilmente preparati tramite stampa 3D per estrusione di vari materiali funzionali."
Ciò che imposta l'e 3 A parte la pelle ci sono i sensori biochimici stampati in 3D e il sistema microfluidico. L'integrazione della tecnologia di stampa 3D è un aspetto fondamentale dell'e 3 -creazione della pelle.
La stampa 3D offre precisione e personalizzazione, consentendo ai ricercatori di progettare e produrre con precisione componenti essenziali. Ciò ha semplificato la produzione e ha consentito l'integrazione di strutture e materiali complessi, inclusi i sensori biochimici e la microfluidica stampati in 3D.
Il dottor Gao ha ulteriormente elaborato:"I sensori biochimici indossabili potrebbero fornire informazioni sanitarie cruciali a livello molecolare. Se abbinati a sensori biofisici, possono fornire informazioni più complete sul nostro stato di salute."
Inoltre, l’uso della microfluidica, la scienza che manipola e controlla piccole quantità di fluidi all’interno di piccoli canali o dispositivi, li ha aiutati ad analizzare i biomarcatori nel sudore umano. La microfluidica può indurre automaticamente il sudore attraverso la ionoforesi, raccoglierlo senza la necessità di attività faticose, ridurre al minimo l'evaporazione del sudore e facilitare l'analisi biochimica in tempo reale con campioni di sudore fresco.
L'e 3 Le capacità di -skin si estendono oltre i suoi componenti hardware. Integra algoritmi ML, che svolgono un ruolo fondamentale nella sua funzionalità. Ma prima di approfondire il machine learning, è essenziale comprendere lo straordinario materiale che rende e 3 -pelle possibile:MXene.
MXene, una famiglia di materiali 2D, è un materiale versatile noto per le sue proprietà uniche. Ti3 acquoso C2 Tx (MXene) è servito come inchiostro per stampare in 3D le interconnessioni e i sensori biofisici nell'e 3 -pelle.
Il team ha utilizzato MXene per risolvere una limitazione degli attuali sistemi indossabili. Secondo le parole del dottor Gao, "la maggior parte dei sistemi indossabili attuali si basa su batterie, che sono rigide, ingombranti e insufficienti e necessitano di frequenti sostituzioni."
Per risolvere questa limitazione, e 3 -skin integra una cella solare, raccogliendo energia dalla luce ambientale e immagazzinandola in modo efficiente in micro-supercondensatori basati su MXene stampati in 3D. Questa innovazione consente un funzionamento sostenibile e senza batteria per il monitoraggio della salute a lungo termine durante le attività quotidiane.
I nanofogli di MXene possiedono proprietà come superfici caricate negativamente e idrofilia, che consentono loro di disperdersi e rimanere stabili in acqua. Ciò consente una stampa precisa, con i filamenti MXene con larghezze di linea regolabili e la capacità di aderire a substrati flessibili, come la pelle umana.
Il dottor Gao ha ulteriormente sottolineato:"I filamenti MXene stampati possono formare matrici uniformi con motivi intricati, consentendo la creazione di strutture complesse all'interno dell'e 3 -pelle."
La versatilità di MXene si estende al rilevamento della temperatura, con sensori che mostrano un coefficiente di temperatura negativo e stabilità all'usura.
Per il monitoraggio degli impulsi, MXene, in combinazione con nanotubi di carbonio, forma sensori con design in schiuma personalizzabili, garantendo elevata sensibilità e durata. In particolare, ciò consente un monitoraggio affidabile del polso radiale su soggetti umani.
Inoltre, l'e 3 -Le capacità della pelle si estendono alla previsione delle risposte comportamentali al consumo di alcol, come hanno dimostrato. Il dottor Gao ha dichiarato:"Nel nostro caso, abbiamo utilizzato e 3 -skin per raccogliere informazioni sull'alcol nel sudore e sui segni vitali (come la frequenza cardiaca e la temperatura cutanea), fornendo informazioni più complete sulle risposte comportamentali."
ML analizza questi dati per prevedere il tempo di risposta di un individuo e il grado di compromissione. L'alcol contenuto nel sudore svolge un ruolo fondamentale nel prevedere i tempi di risposta, mentre la frequenza cardiaca integra l'alcol contenuto nel sudore per una previsione più accurata dei danni.
e 3 -skin si dimostra molto promettente, raccogliendo il meglio del machine learning, dei materiali e della medicina. "e 3 -skin offre interessanti opportunità per far avanzare i biosensori indossabili verso applicazioni pratiche nella moderna assistenza sanitaria", ha sottolineato il dottor Gao.
Con il monitoraggio continuo di biomarcatori vitali e un'ampia raccolta di dati, ha il potenziale per prevedere i disturbi cognitivi e comportamentali e monitorare vari aspetti della salute.
I dati raccolti dall'e 3 -skin potrebbe migliorare l'assistenza sanitaria personalizzata consentendo un allarme tempestivo, una diagnosi precoce e un intervento tempestivo per massimizzare i risultati sanitari.
Il dottor Gao ha concluso affermando:"Gli ampi insiemi di dati raccolti da tali dispositivi indossabili multimodali nelle attività quotidiane, abbinati ai moderni algoritmi ML, possono estrarre la relazione di fondo del livello di biomarcatore con condizioni di salute complesse.
"In tal modo, promette di rimodellare il campo del monitoraggio sanitario tramite dispositivi indossabili e di potenziare l'assistenza sanitaria personalizzata basata sui dati."
Ulteriori informazioni: Yu Song e altri, pelle elettronica epifluidica stampata in 3D per la sorveglianza sanitaria multimodale basata sull'apprendimento automatico, Progressi scientifici (2023). DOI:10.1126/sciadv.adi6492
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