Una representación de un material de caucho para cepillos de botellas y un compuesto de nanotubos de carbono que los investigadores creen que tiene un uso potencial como electrodo cerebral.Crédito: Shaw, P. et al. Naturaleza común. 14623 (2023)/CC POR 4.0
Cuando Shuai Xu se propuso crear un biosensor portátil para monitorear los signos vitales de bebés prematuros y recién nacidos, se enfrentó a un gran desafío: la piel de estos bebés es tan sensible que el adhesivo utilizado para fijar el sensor podría dañarla, lo que podría provocar una infección. . Al problema se suma el dispositivo duro que tira de la piel cuando el bebé se mueve y los cables que pueden tirar de ella en una dirección diferente. La solución fue construir un sensor blando y estirable, con placas de circuito flexibles y cables de 50 mm de espesor, un gran cambio con respecto a los dispositivos rígidos que han sido durante mucho tiempo el pilar de este tipo de ingeniería. Estaba encerrado en un material de silicona flexible, transmitía sus lecturas a través de Bluetooth y se adhería al cuerpo mediante hidrogel, un material a base de polímero compuesto principalmente de agua. Shaw, dermatólogo, ayudó a desarrollar el dispositivo como investigador postdoctoral en el laboratorio de John Rogers, ingeniero y científico de materiales de la Universidad Northwestern en Evanston, Illinois, pionero en el campo de los materiales blandos.
Shaw se convirtió en el fundador y director ejecutivo de Sibel Health en Chicago, Illinois, una empresa de dispositivos médicos que derrotar naturalezaPremio Spinoff 2020 Vende sensores portátiles para monitorear a los pacientes. Los desafíos que enfrenta Xu son comunes entre los investigadores que intentan desarrollar biosensores y los materiales necesarios para fabricarlos. Los dispositivos deben ser pequeños y livianos, y deben sujetarse al cuerpo con una irritación mínima. En algunos casos, requieren baterías y circuitos de larga duración que puedan manejar la creciente variedad de algoritmos de IA que dan sentido a los datos que recopilan.
Índice de la naturaleza 2024 Ciencia de los materiales
Según una estimación, se estima que el mercado mundial de sensores de salud tendrá un valor de 42.600 millones de dólares en 2023 y se espera que crezca a 142.200 millones de dólares en 2030. Los dispositivos que se llevan en la muñeca o en los dedos, que están diseñados para contar pasos, medir la frecuencia cardíaca. y los niveles de oxígeno en sangre, y a ellos se les han sumado parches que permiten a los diabéticos controlar continuamente sus niveles de glucosa.
“Esto no es nada despreciable”, dice Shaw. “Pero hay muchas otras cosas, bioquímicas y biofísicas, que todavía no podemos hacer de manera práctica y sostenida”. Saber cómo medir una variedad de señales físicas y químicas de forma económica y no invasiva podría proporcionar información de diagnóstico que podría remodelar la medicina. Esto puede pasar por alto los sensores que toman medidas mecánicas, como la frecuencia cardíaca. Los investigadores también están trabajando en sensores químicos que puedan detectar biomarcadores en la sangre, el sudor y las lágrimas, así como en los fluidos que rodean las células.
Aida Ebrahimi, ingeniera de biosensores de la Universidad Estatal de Pensilvania en State College, está trabajando en materiales que pueden detectar neurotransmisores en la saliva o la orina como la dopamina, la serotonina, la adrenalina y la noradrenalina, que están alterados en personas con enfermedades como el Parkinson o el Alzheimer. Me centré en materiales 2D, que tienen solo una capa atómica de espesor, como el disulfuro de molibdeno. “Al utilizar un material donde todo es superficial, se obtiene una alta sensibilidad al poder detectar una concentración muy baja de biomoléculas”, dice Ebrahimi. Las propiedades materiales de estas películas atómicamente delgadas también son sensibles a la modificación de la superficie. Por ejemplo, la unión de moléculas de manganeso le da al material una afinidad por la dopamina, creando un detector ultrasensible.1.
El sensor suave y elástico ha sido desarrollado para adaptarse a la piel sensible del recién nacido.Crédito: Universidad del Noroeste
Ebrahimi dice que sustancias similares unidas a diferentes moléculas podrían usarse como sensores para otras sustancias químicas que podrían proporcionar información sobre la salud. Su equipo construyó un prototipo del sensor en 2020, que demostró que era capaz de medir la dopamina.1Pero construirlo y verificar su utilidad podría llevar varios años.
Un desafío de medición es que gran parte de la señalización, especialmente en el cerebro, se lleva a cabo mediante el movimiento de iones, mientras que la mayoría de los equipos de monitoreo están diseñados para detectar corrientes eléctricas transportadas por el flujo de electrones. Sahika Inal, bioingeniera de la Universidad de Ciencia y Tecnología Rey Abdullah en Thuwal, Arabia Saudita, utiliza transistores electroquímicos orgánicos (OECT).2Se trata de dispositivos que pueden detectar señales de biomoléculas, células y capas de grasa y convertirlas en lecturas que pueden medirse mediante equipos electrónicos. Los OECT se pueden construir utilizando conductores iónicos electrónicos orgánicos mixtos (OMIEC), que han sido objeto de gran interés en los últimos años. Los OMIEC son polímeros a través de los cuales pueden fluir fácilmente iones y electrones. Cuando parte del transistor experimenta un pequeño cambio en la característica que está midiendo, el OMIEC amplifica esa señal. Al tratarse de un polímero orgánico, el material es más compatible con el ambiente húmedo del cuerpo que un transistor electrónico estándar, que debe encapsularse para protegerlo de los líquidos. Gracias a ello se puede desarrollar una electrónica que “se pueda integrar directamente en un sistema biológico”, afirma Inal.
OECT se puede imprimir directamente sobre la superficie de la piel para detectar señales biológicas, por ejemplo, o se puede construir sobre hebras de tela para crear prendas y fundas biológicamente sensibles que puedan resistir el lavado. También tiene el potencial de reemplazar los electrodos rígidos utilizados en implantes cerebrales para controlar prótesis y monitorear la actividad eléctrica en pacientes con convulsiones. Su flexibilidad y biocompatibilidad pueden causar menos irritación en el tejido cerebral, lo que puede hacer que los electrodos sean menos sensibles.
En la Universidad de Toronto, el ingeniero mecánico Xinyu Liu y la ingeniera química Helen Tran han desarrollado otro material suave y flexible para usarlo como electrodo para el cerebro.3. Llamado elastómero del cepillo para biberones, es un material similar al caucho hecho de una molécula que tiene una columna vertebral larga y resistente, que mantiene su estructura, rodeada de cerdas cortas y flexibles, para brindar suavidad. Para darle conductividad eléctrica al material, Liu y Tran agregaron un material de relleno, ya sea nanotubos de carbono o una mezcla de lámina de plata y galio eutéctico, un semiconductor en forma líquida. Sin embargo, les preocupa que el relleno pueda filtrarse y tener efectos tóxicos, por lo que quieren deshacerse de él. “En última instancia, nos gustaría diseñar un polímero que sea blando y conductor de electrones”, dice Tran. “Estas demandas son a menudo contradictorias”.
El laboratorio de Liu también está trabajando en sensores portátiles. Uno, a base de hidrogel, está diseñado para amoldarse a la piel y medir la presión cuando se dobla una parte del cuerpo, como la rodilla, por ejemplo.4. Un dispositivo de este tipo podría resultar útil para controlar el rendimiento de un atleta o evaluar la artritis.
Otro sensor que están desarrollando coloca nanocables de óxido de zinc en un hilo de algodón para crear textiles electrónicos que pueden medir sustancias como el lactato y el sodio en el sudor. El material se puede tejer en una camiseta o cinta para la cabeza para controlar la salud de un atleta.5.
Xu ve muchas oportunidades para los nuevos biosensores. “La IA genera nuevos algoritmos, que luego pueden integrarse en los sensores para aprender de las mediciones que registran y reaccionar ante ellas”, afirma. Esto puede requerir el desarrollo de procesadores que puedan funcionar con la energía limitada disponible en los sensores. Ayuda, así como alternativas como la acumulación de energía a partir del movimiento o el calor corporal. Dice que los dispositivos que podrían combinar lecturas (niveles de glucosa y frecuencia cardíaca, por ejemplo) podrían ser transformadores y también le gustaría poder detectar las hormonas del estrés que podrían hacerlo. usarse para monitorear la fatiga, o metabolitos de drogas para investigar Desde comer Pacientes para medicamentos.
Los biosensores tienen el potencial de recopilar mucha información útil y hacerlo en situaciones cotidianas puede brindar una imagen más realista de la salud que una sola prueba médica. “Esté enfermo o no”, dice Shaw, la gente no pasa la mayor parte del tiempo en una clínica u hospital. Creo que es realmente importante poder realizar un seguimiento de la salud “y utilizar la tecnología usted mismo”.