Heutzutage haben das Design und die Entwicklung von tragbaren Biosensoren für die Überwachung der menschlichen Gesundheit und die personalisierte Medizin große Aufmerksamkeit erregt. Tragbare Biosensoren (WBS) sind tragbare elektronische Geräte, die Sensoren mit dem menschlichen Körper in Pflastern, Handschuhen, Kleidung und Implantaten integrieren und die in vivo-Erkennung, Aufzeichnung und Berechnung von Daten mit mobilen oder tragbaren Geräten realisieren und ein bidirektionales Feedback zwischen Ärzten und Patienten gewährleisten. Diese Geräte ermöglichen auch die nicht-invasive Echtzeit-Quantifizierung verschiedener biochemischer Marker in menschlichen Körperflüssigkeiten wie Speichel, Schweiß, Haut und Tränen.
Mit Innovationen und Fortschritten in der Materialwissenschaft und der Entwicklung im Maschinenbau und bei drahtlosen Kommunikationstechnologien wurden verschiedene tragbare Geräte entwickelt und für die gleichzeitige Verarbeitung und Analyse von Biomarkern eingesetzt, um das Gesundheitsmanagement zu verbessern. Der Umsatz auf dem Markt für tragbare Technologien wird aufgrund ihrer Benutzerfreundlichkeit voraussichtlich bis 2025 auf 70 Milliarden $ steigen.
Ein Biosensor ist eine Zusammensetzung aus zwei grundlegenden Funktionseinheiten, nämlich einem "Biorecoking-Element oder Biorezeptor" (Enzym, Antikörper, DNA, Nukleinsäure, Peptid usw.) und einem physikochemischen Wandler für optische, elektrochemische, piezoelektrische und thermische Art. Der Biorezeptor ist für die selektive Erkennung des Zielanalyten verantwortlich, und der Wandler ist dafür verantwortlich, ein Biore-Erkennungsereignis in ein messbares Signal umzuwandeln. Darüber hinaus hat der Fortschritt in der Biosensortechnologie den Weg geebnet, um mit der Verbesserung moderner tragbarer Biosensoren für die nicht-invasive Überwachung im Gesundheitswesen und in biomedizinischen Anwendungen zu beginnen.
Ein Merkmal von tragbaren biophysikalischen Sensoren ist der Kontakt mit der Haut, um eine Echtzeitmessung von biophysikalischen Parametern wie Blutdruck, Herzfrequenz und Temperatur bereitzustellen, die bei Anwendungen im Gesundheitswesen bedeutende Werte besitzen; Diese biophysikalischen Sensoren sind auf dem Markt erhältlich und werden von Verbrauchern häufig verwendet. Andererseits ist es angesichts der Tatsache, dass biochemische Biosensoren trotz ihres erheblichen Potenzials noch nicht vermarktet werden, schwierig, den interessierenden Analyten nachzuweisen.
Von grundlegender Bedeutung ist die Frage, ob tragbare Biosensoren dem menschlichen Körper direkt ausgesetzt sind; daher ist davon auszugehen, dass es keinerlei zusätzliches Risiko für die Gesundheit von Menschenleben darstellt. Daher ist es wichtig, dass der tragbare Biosensor biokompatibel ist, um eine Immunantwort zu vermeiden, weshalb biokompatible Materialien für intelligente tragbare Sensoren bevorzugt werden.
Epidermale Pflaster zur Überwachung metabolischer Biomarker
Die Integration tragbarer Geräte in personalisierte Gesundheitsdienste hat in letzter Zeit große Aufmerksamkeit erregt. Tragbare Geräte können als tragbares Zubehör (wie Uhren, Handschuhe usw.), tragbare Stoffe (T-Shirts, Socken, Schuhe), tragbare Hardware (Brillen und Helme) und sensorische Geräte zur Gesundheitsüberwachung klassifiziert werden. Mit integrierten miniaturisierten Geräten und technologischen Fortschritten (Mikroelektronik und drahtlose Kommunikation) sind tragbare biochemische Sensoren tief in unser Leben eingebettet und zu einem festen Bestandteil geworden; In Zukunft ist jedoch eine Weiterentwicklung erforderlich.
Unter den tragbaren Geräten verdienen epidermale Pflaster, die auf flexible und mikrofluidische Weise für die Echtzeitanalyse von Schweißproben entwickelt wurden, besondere Aufmerksamkeit. Dieser Sensor ist auf einem flexiblen Kunststoffsubstrat aufgebaut, in das eine spezielle Spiralkanal-Mikrofluidik mit ionenselektiven Sensoren integriert ist. Dieses System verbindet die Sensorkomponente und kann Schweiß mit einer Leiterplattentechnologie (PCB) analysieren. Der Sensor könnte möglicherweise die Ionenkonzentration (H, Na, K, Cl+++–) und die Schweißrate überwachen, was die Überwachung menschlicher physiologischer und klinischer Zustände anhand von Schweißparametern weiter erleichtert. Darüber hinaus gibt es noch Spielraum, um die zeitliche Auflösung der Sensoren zu verbessern, was eine einfachere und höhere Produktivität in der Fertigung ermöglichen könnte.
Vor kurzem wurde ein neues Projekt entwickelt, bei dem Cortisol-spezifische Antikörper (MX210 Ab) auf einer dehnbaren und anpassungsfähigen nanostrukturierten Oberfläche mit impedimetrischem Nachweis immobilisiert wurden. Mit einer optimierten Antikörperkonzentration bietet das Pflaster eine Nachweisgrenze von 1,0 pg mL−1 mit einem Nachweisbereich von bis zu 1 μg mL−1. Die Au-3D-Nanostruktur als Arbeitselektrode ermöglicht die größte Empfindlichkeit, selbst wenn der Sensor die Grenze der Instabilität des Ag-Ab-Komplexes ohne Reproduzierbarkeit aufweist. Um die oben genannten Bedenken hinsichtlich der Instabilität zu überwinden, wurde ein künstliches molekulares Fingerprint-Polymer (MIP) entwickelt, das durch die Copolymerisationsreaktion für das Cortisol-Screening synthetisiert wurde; MIPs besitzen eine größere Selektivität gegenüber Cortisol als Muster, Reversibilität, Robustheit und Reproduzierbarkeit. Dieselbe Gruppe vonForscher haben auch ein als "SKINTRONICS" bekanntes Gerät entwickelt, das zur Bestimmung von Stressniveaus durch elektrodermalen Nachweis der galvanischen Reaktion der Haut nützlich ist; Es handelt sich um ein mehrschichtiges Gerät mit einer Tragezeit von 7 Stunden und flexiblen, an die Haut angepassten Merkmalen, die eine Datenerfassung in Echtzeit ermöglichen.
Derzeit werden verschiedene tragbare Pflaster oder Sensorplattformen mit Hautschnittstelle entwickelt, was auf eine Verschiebung des Fokus hin zu flexibler Sensorik hindeutet.
Selbstheilende flexible tragbare Sensoren
Derzeit sind tragbare medizinische Geräte durch ihre Robustheit begrenzt, da die Biosensorkomponenten leicht beschädigt werden können, was die Funktion verändert und ihre Leistung, Haltbarkeit und elektronischen Eigenschaften weiter reduziert. Ein idealer bio-multifunktionaler biofunktionaler tragbarer Biosensor muss nicht nur seine elektronischen Funktionen aufrechterhalten, sondern muss auch Selbstheilungseigenschaften besitzen, um seine internen physikalischen Eigenschaften im Falle einer geringfügigen mikromechanischen Beschädigung aufrechtzuerhalten.
Tragbare elektronische Geräte, die auf der Haut verwendet werden, müssen Selbstheilungseigenschaften ohne äußere Stimulation (z. B. Hitze) aufweisen, um ihre mechanischen und elektrischen Verbindungen wiederherzustellen. Zu diesem Zweck wurden mehrere flexible selbstheilende Sensoren auf der Basis von Leitern und Polymeren untersucht, aber trotz der schnellen Entwicklung auf dem Gebiet der selbstheilenden Polymermaterialien können nur einige von ihnen auf dem Gebiet der flexiblen tragbaren Elektronik verwendet werden.
Die Entwicklung selbstheilender elektronischer Sensoren kann durch den Einbau von ionischen Flüssigkeiten in selbstheilende Polymerkanäle erreicht werden, wobei der Verlust von ionischen Flüssigkeiten im Bruchzustand aufgrund der Kapillarwirkung vermieden wird. Ein weiteres Projekt basiert auf einem gummiartigen, selbstheilenden, leitfähigen Verbundstoff, der aus anorganischem Mikronickel (μNi) und organischen supramolekularen Polymerpartikeln besteht und einen elektrischen und mechanischen Selbstheilungsmechanismus besitzt, der durch die Rekombination von Wasserstoffbrückenbindungen zwischen Schnittflächen angetrieben wird. Ein anderer Sensortyp wurde unter Verwendung eines flexiblen Sandwich-Strukturdeformationssensors entwickelt, der durch Einfügen einer Schicht aus Polymer-Silber-Nanodrähten (AgNW), die mit selbstheilenden Eigenschaften dekoriert sind, in Schichten aus PDMS (Polydimethylsiloxan) hergestellt wird; Dieses Design bietet eine gute Stabilität und Elastizität. Darüber hinaus wurden bereits mehrere Berichte veröffentlicht, die möglicherweise den Fortschritt von Materialien oder Nanokompositen vorhersagen, die in tragbaren Biosensoren verwendet werden.
Hydrogel-artige Sensoren haben aufgrund ihrer mechanischen Eigenschaften vielversprechende Aufmerksamkeit in fortschrittlichen tragbaren Sensoren erlangt. Die Herstellung eines hautähnlichen, dehnbaren und leitfähigen Hydrogels mit den gewünschten synergistischen Eigenschaften von Elastizität, erhöhter Selbstheilungsfähigkeit und ausgezeichneter Wahrnehmungsleistung bleibt jedoch eine Herausforderung. Außerdem sind trotz der wichtigen Eigenschaften von Hydrogelen die Zerbrechlichkeit und geringe Festigkeit von Hydrogelen zwei Haupthindernisse für ihre weiteren Anwendungen in tragbaren Geräten. Diese Probleme können durch Strategien wie Doppel- und Interpreternetzwerke wie Doppelhydrogele, auf Nanokomposit (NC) basierende Hydrogele und vernetzte Doppelhydrogele mit starken mechanischen Eigenschaften und Stabilität unter extremen Bedingungen überwunden werden.
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