Un cerotto intelligente per il monitoraggio dinamico dei parametri biologici
La pelle può inviare segnali di salute, come diventare più tesa in caso di secchezza, suggerendo la necessità di idratazione. Ma che potenzialità avrebbe se potesse essere ancora più intelligente e capace di monitorare informazioni sanitarie specifiche, come il livello di glucosio nel sudore o la frequenza cardiaca? Un team di ricercatori della Penn State University ha sviluppato un dispositivo elettronico adesivo e flessibile in grado di fare proprio questo. Tale dispositivo si attacca perfettamente alla pelle, resistendo alle deformazioni meccaniche, permettendo di rilevare e monitorare vari parametri di salute in modo continuo. Grazie a questa innovazione, il monitoraggio della salute personale potrebbe diventare molto più semplice e preciso.
Biosensori cutanei: il futuro del monitoraggio della salute
I biosensori sono capaci di rilevare segnali elettrofisiologici e biochimici, mostrando un grande potenziale per il monitoraggio della salute personale e la gestione delle malattie.
In questo contesto è stato sviluppato un cerotto multifunzionale, riprogrammabile e adesivo, fabbricato tramite una semplice tecnica di incisione laser di un composito adesivo. Il grafene indotto dal laser nel composito adesivo può essere ulteriormente funzionalizzato con nanomateriali conduttivi o enzimi per migliorare la conduttività elettrica o il rilevamento selettivo di vari biomarcatori del sudore come il pH, il glucosio e il lattato.
La possibile combinazione dei sensori per l’analisi dei biofluidi e il monitoraggio dei segnali elettrofisiologici in tempo reale promette la realizzazione di una piattaforma adesiva autonoma ed estensibile.
Un approccio innovativo per la produzione di elettronica flessibile
L’elettronica flessibile, con la sua capacità di integrarsi perfettamente con i tessuti umani molli e irregolari, rappresenta un’innovazione promettente per il monitoraggio non invasivo delle condizioni fisiologiche. Questa tecnologia può rivoluzionare la gestione della salute personale, consentendo di raccogliere dati in tempo reale su vari parametri fisiologici.
Tradizionalmente, la fabbricazione di componenti come sensori, elettrodi e interconnessioni su substrati flessibili avviene tramite fotolitografia – una tecnica che, nonostante la sua efficacia, comporta costi elevati. Come alternativa, la fabbricazione laser emerge con un grande potenziale per la produzione su larga scala di componenti elettronici flessibili grazie alla sua precisione, efficienza e i costi contenuti. In particolare, le reti porose conduttive di grafene tridimensionale ottenute tramite incisione laser di polimeri ad alto contenuto di carbonio o il grafene indotto dal laser (LIG), offrono un’ampia superficie specifica, ideale per i sistemi di rilevamento chimici o elettrochimici.
L’implementazione di LIG su cerotti adesivi consente modifiche e quindi la possibilità di creare collegamenti elettrici o unità di rilevamento attive. Grazie all’adesione fornita dalla polietilenimina etossilata (PEIE), questi biosensori sono in grado di monitorare in tempo reale segnali fisiologici come elettrocardiogrammi ed elettromiogrammi (ECG/EMG), oltre a biomarcatori nel sudore, come glucosio e lattato, con elevata fedeltà.
Questi dispositivi multifunzionali permettono anche la somministrazione controllata di farmaci, offrendo un potenziale significativo per la diagnostica e il trattamento delle malattie. Tuttavia, la miniaturizzazione dei dispositivi e la difficile adesione meccanica all’interfaccia pelle-dispositivo rimangono sfide cruciali.
La tecnologia dei bioadesivi estendibili
Il composto bioadesivo estensibile in questione permette la misurazione di segnali bioelettrici e chimici, l’eventuale possibilità di fornire stimolazioni elettriche, somministrare farmaci, integrare moduli di comunicazione o alimentazione wireless e sistemi per la terapia termica (Figura 1). La post-funzionalizzazione con enzimi rende i sensori altamente sensibili e selettivi per biomarcatori come pH, glucosio e lattato.
Monitoraggio dei biopotenziali e prestazioni del cerotto
Il cerotto adesivo LIG@PI/PDMS/PEIE è stato testato e confrontato con elettrodi in gel tradizionali per valutare le prestazioni in diverse condizioni (Figura 2). I risultati principali mostrano:
- Qualità del segnale elettrocardiografico: la qualità del segnale ECG catturato dal cerotto adesivo è risultata quasi equivalente a quella degli elettrodi in gel tradizionali.
- Stabilità nel tempo: il cerotto ha mantenuto un’alta qualità del segnale anche dopo 24 ore di utilizzo continuo. Dopo essere stato rimosso e riattaccato sulla pelle per due volte, la qualità del segnale restava alta, dimostrando una lunga durata della forza adesiva e una stabilità affidabile nelle misurazioni ECG.
- Resistenza alle deformazioni: durante movimenti di allungamento e compressione, che simulano attività quotidiane, il cerotto ha continuato a fornire segnali ECG stabili, senza distorsioni e dimostrando la sua eccellente resistenza alle deformazioni della pelle. Il cerotto è stato testato durante e dopo allenamenti indoor, dimostrando di poter fornire un monitoraggio ECG stabile anche in presenza di sudore.
- Biocompatibilità e comfort: dopo 24 ore di utilizzo continuo sul braccio, non sono stati osservati segni di eruzioni cutanee, indicando un’ottima biocompatibilità e una buona traspirazione della pelle.
d) EMG sia su pelle asciutta che bagnata. Credits: Wiley
Rilevamento elettrochimico di pH, glucosio e lattato
La tecnologia dei sensori elettrochimici sta facendo notevoli passi avanti nella rilevazione di pH, glucosio e lattato. Questi sensori sfruttano un sottile strato di nanoparticelle che migliorano la stabilità e la biocompatibilità, rendendo possibile l’immobilizzazione di enzimi specifici per rilevare con precisione diversi biomarcatori nei campioni biologici (Figura 3).
Vediamo nel dettaglio:
- Rilevamento del pH: i sensori per il pH misurano la variazione del potenziale elettrico che dipende dalla concentrazione di protoni nel campione. La sensibilità di questi sensori è alta, permettendo di ottenere misure precise con un cambiamento lineare nel potenziale in funzione del pH.
- Rilevamento del glucosio: per rilevare il glucosio, i sensori utilizzano elettrodi modificati con nanoparticelle d’oro e un enzima specifico chiamato glucosio ossidasi (GOx). Durante il processo, il glucosio interagisce con l’enzima, producendo un segnale elettrico che può essere misurato. Questo segnale è proporzionale alla concentrazione di glucosio nel campione, permettendo una misurazione precisa anche a basse concentrazioni.
- Rilevamento del lattato: analogamente, per il lattato si utilizza l’enzima lattato ossidasi (LOx). Quando il lattato reagisce con LOx, si genera un segnale elettrico misurabile. Anche in questo caso, la risposta del sensore è lineare rispetto alla concentrazione di lattato, assicurando misurazioni accurate.
Vorremmo creare la prossima generazione di pelle intelligente con sensori integrati per il monitoraggio della salute, insieme alla valutazione dell’impatto dei vari trattamenti sulla salute e moduli per la somministrazione di farmaci per un trattamento in tempo reale
Cheng, autore della pubblicazione.
Conclusioni e implicazioni future
In questo recente studio, è stata presentata una rivoluzionaria versione di dispositivi indossabili, programmabili e riutilizzabili, basata su matriali compositi. Questi dispositivi multifunzionali sono progettati per applicazioni che richiedono un’interfaccia diretta con la pelle, permettendo misurazioni di biopotenziali ad alta fedeltà anche se sottoposti a sollecitazioni meccaniche o condizioni di pelle bagnata.
I sensori, arricchiti con materiali funzionali, possono rilevare parametri bio-rilevanti nel sudore, come pH, glucosio e lattato. La capacità di questi sensori di adattarsi a diverse funzioni elettriche e di rilevamento ha permesso di integrare facilmente più funzionalità su un unico dispositivo.
Questo nuovo approccio rappresenta un importante passo avanti nel campo dei dispositivi indossabili, offrendo soluzioni versatili e sostenibili per il monitoraggio della salute e altre applicazioni innovative.
