V současné době si design a vývoj nositelných biosenzorů v monitorování lidského zdraví a personalizované medicíně získal značnou pozornost. Nositelné biosenzory (WBS) jsou přenosná elektronická zařízení, která integrují senzory s lidským tělem v náplastech, rukavicích, oděvech a implantátech, realizují in vivo detekci, záznam a výpočet dat pomocí mobilních nebo přenosných zařízení a zajišťují obousměrnou zpětnou vazbu mezi lékaři a pacienty. Tato zařízení také umožňují neinvazivní kvantifikaci různých biochemických markerů v lidských tělesných tekutinách v reálném čase, jako jsou sliny, pot, kůže a slzy.
Díky inovacím a pokroku ve vědě o materiálech a vývoji ve strojírenství a bezdrátových komunikačních technologiích byla vyvinuta a používána různá nositelná zařízení pro současné zpracování a analýzu biomarkerů za účelem zlepšení řízení zdravotní péče. Očekává se, že prodej trhu s nositelnými technologiemi vzroste do roku 2025 na 70 miliard USD kvůli jejich snadnému používání.
Biosenzor je složením dvou základních funkčních jednotek, a to „biorekokacího prvku nebo bioreceptoru“ (enzym, protilátka, DNA, nukleová kyselina, peptid atd.) a fyzikálně-chemického převodníku optického, elektrochemického, piezoelektrického a tepelného typu. Bioreceptor je zodpovědný za selektivní rozpoznání cílového analytu a převodník je zodpovědný za přeměnu události rozpoznání Biore na měřitelný signál. Pokrok v technologiích biosenzorů navíc připravil cestu k zahájení zlepšování moderních nositelných biosenzorů pro neinvazivní monitorování ve zdravotnictví a biomedicínských aplikacích.
Charakteristickým znakem nositelných biofyzikálních senzorů je kontakt s pokožkou, který poskytuje měření biofyzikálních parametrů v reálném čase, jako je krevní tlak, srdeční frekvence a teplota, které mají významné hodnoty ve zdravotnických aplikacích; Tyto biofyzikální senzory jsou dostupné na trhu a spotřebitelé je široce používají. Na druhou stranu, uvážíme-li, že biochemické biosenzory ještě nejsou na trhu, přestože mají významný potenciál, je obtížné detekovat sledovaný analyt.
Zásadní význam má otázka, že nositelné biosenzory jsou přímo vystaveny lidskému tělu; proto se očekává, že nebude představovat žádné další riziko pro zdraví lidského života. Proto je nezbytné, aby nositelný biosenzor byl biokompatibilní, aby se zabránilo imunitní reakci, díky čemuž jsou biokompatibilní materiály vhodnější pro chytré nositelné senzory.
Epidermální náplasti jako monitorování metabolických biomarkerů
Integrace nositelných zařízení do personalizovaných zdravotnických služeb si v poslední době získala významnou pozornost. Nositelná zařízení lze klasifikovat jako nositelné doplňky (jako jsou hodinky, rukavice atd.), nositelné látky (trička, ponožky, boty), nositelný hardware (brýle a helmy) a senzorická zařízení pro sledování zdraví. Díky integrovaným miniaturizovaným zařízením a pokrokům v technologiích (mikroelektronika a bezdrátová komunikace) se nositelné biochemické senzory hluboce začlenily a staly se nedílnou součástí našich životů; do budoucna je však zapotřebí dalšího rozvoje.
Mezi nositelnými zařízeními si zaslouží pozornost epidermální náplasti vyvinuté flexibilním a mikrofluidním způsobem pro analýzu vzorků potu v reálném čase. Tento senzor je postaven na flexibilním plastovém substrátu integrovaném se speciálním spirálovým kanálem mikrofluidní vestavěným s iontově selektivními senzory; tento systém propojuje snímací komponentu a dokáže analyzovat pot pomocí technologie desek s plošnými spoji (PCB). Senzor by mohl potenciálně monitorovat koncentraci iontů (H, Na, K, Cl+++−) a rychlost pocení, což dále usnadňuje sledování lidských fyziologických a klinických stavů pomocí parametrů pocení. Kromě toho stále existuje prostor pro zlepšení časového rozlišení senzorů, což by mohlo umožnit snadnou a vysokou produktivitu výroby.
Nedávno byl vyvinut nový projekt, kde byly protilátky specifické pro kortizol (MX210 Ab) imobilizovány na roztažitelném a přizpůsobivém nanostrukturovaném povrchu s impedimetrickou detekcí. S optimalizovanou hladinou koncentrace protilátky nabízí náplast detekční limit 1,0 pg ml-1 s detekčním rozsahem až 1 μg ml-1. Au 3D nanostruktura jako pracovní elektroda umožňuje největší citlivost, i když má senzor hranici nestability Ag-Ab komplexu bez reprodukovatelnosti. K překonání výše uvedených obav z nestability byl vyvinut umělý molekulární otiskový polymer (MIP) syntetizovaný kopolymerizační reakcí pro screening kortizolu; MIP mají větší selektivitu vůči kortizolu jako vzoru, reverzibilitu, robustnost a reprodukovatelnost. Stejná skupina výzkumníků také vyvinula zařízení známé jako „SKINTRONICS“, užitečné pro stanovení úrovně stresu prostřednictvím elektrodermální detekce galvanické odezvy pokožky; Jedná se o vícevrstvé zařízení s dobou opotřebení 7 hodin, s flexibilními hybridními funkcemi přizpůsobenými kůži, které umožňují sběr dat v reálném čase.
V současné době se vyvíjejí různé nositelné náplasti nebo snímací platformy s rozhraním kůže, což naznačuje posun zaměření směrem k flexibilnímu snímání.
Samoopravné flexibilní nositelné senzory
V současné době jsou nositelná zdravotnická zařízení omezena svou robustností kvůli snadnému poškození komponent biosenzoru, které mění funkci a dále snižují jejich výkon, životnost a elektronické vlastnosti. Ideální bio-multifunkční bio-funkční nositelný biosenzor si musí nejen zachovat své elektronické funkce, ale musí mít také samoléčebné vlastnosti, aby si zachoval své vnitřní fyzikální vlastnosti v případě drobného mikromechanického poškození.
Nositelná elektronická zařízení používaná na kůži musí mít samoléčebné vlastnosti bez jakékoli vnější stimulace (např. tepla), aby se obnovila jejich mechanická a elektrická spojení. Za tímto účelem bylo studováno několik flexibilních samoopravných senzorů na bázi vodičů a polymerů, ale i přes rychlý vývoj v oblasti samoopravných polymerních materiálů lze v oblasti flexibilní nositelné elektroniky použít pouze některé z nich.
Vývoj samoopravných elektronických senzorů lze dosáhnout začleněním iontových kapalin do samoopravných polymerních kanálků, kde je zabráněno ztrátě iontových kapalin ve stavu prasknutí v důsledku kapilárního efektu. Další projekt je založen na gumě podobném samoopravném vodivém kompozitu složeném z anorganického mikroniklu (μNi) a organických supramolekulárních polymerních částic, které mají elektrický a mechanický samoopravný mechanismus poháněný rekombinací vodíkových vazeb mezi řeznými povrchy. Další typ senzoru byl vyvinut pomocí flexibilního sendvičového strukturálního deformačního senzoru, vyrobeného vložením vrstvy polymerních stříbrných nanodrátů (AgNW) zdobených samoopravnými vlastnostmi do vrstev PDMS (polydimethylsiloxan); tento design poskytuje dobrou stabilitu a elasticitu. Kromě toho již bylo publikováno několik zpráv, které potenciálně předpovídají pokrok materiálů nebo nanokompozitů používaných v nositelných biosenzorech.
Senzory hydrogelového typu si díky svým mechanickým vlastnostem získaly slibnou pozornost v pokročilých nositelných senzorech. Výzvou však zůstává výroba pokožce podobného roztažitelného a vodivého hydrogelu s požadovanými synergickými charakteristikami elasticity, zvýšenou samoléčebnou schopností a vynikajícím snímacím výkonem. Kromě toho, navzdory důležitým vlastnostem hydrogelů, křehkost a nízká pevnost hydrogelů jsou dvě hlavní překážky v jejich dalších aplikacích v nositelných zařízeních. Tyto problémy lze překonat strategiemi, jako jsou dvojité a interpretační sítě, jako jsou dvojité hydrogely, hydrogely na bázi nanokompozitů (NC) a zesíťované dvojité hydrogely se silnými mechanickými vlastnostmi a stabilitou za extrémních podmínek.
Note: All information on Sinocare blog articles is for educational purposes only. For specific medical advice, diagnoses, and treatment, consult your doctor.