Biocapteurs dans la surveillance de la santé humaine

De nos jours, la conception et le développement de biocapteurs portables pour la surveillance de la santé humaine et la médecine personnalisée ont suscité une attention considérable. Les biocapteurs portables (WBS) sont des appareils électroniques portables qui intègrent des capteurs au corps humain dans des patchs, des gants, des vêtements et des implants, réalisant une détection in vivo, enregistrant et calculant des données à l'aide d'appareils mobiles ou portables, assurant une rétroaction bidirectionnelle entre les médecins et les patients. Ces dispositifs permettent également une quantification non invasive et en temps réel de divers marqueurs biochimiques dans les fluides corporels humains, tels que la salive, la sueur, la peau et les larmes.

Grâce à l'innovation et aux progrès de la science des matériaux et au développement de l'ingénierie mécanique et des technologies de communication sans fil, divers appareils portables ont été développés et utilisés pour le traitement et l'analyse simultanés de biomarqueurs afin d'améliorer la gestion des soins de santé. La vente du marché des technologies portables devrait atteindre 70 milliards de dollars d'ici 2025 en raison de leur facilité d'utilisation.

Un biocapteur est une composition de deux unités fonctionnelles de base, à savoir un "élément de biorecoking ou biorécepteur" (enzyme, anticorps, ADN, acide nucléique, peptide, etc.) et un transducteur physicochimique d'optique, électrochimique, piézoélectrique et thermique. taper. Le biorécepteur est responsable de la reconnaissance sélective de l'analyte cible, et le transducteur est responsable de la conversion d'un événement de reconnaissance Biore en un signal mesurable. En outre, les progrès des technologies de biocapteurs ont ouvert la voie à l'amélioration des biocapteurs portables modernes pour la surveillance non invasive dans les applications médicales et biomédicales.

La caractéristique des capteurs biophysiques portables est le contact avec la peau pour fournir une mesure en temps réel des paramètres biophysiques tels que la pression artérielle, la fréquence cardiaque et la température qui possèdent des valeurs significatives dans les applications de soins de santé ; Ces capteurs biophysiques sont disponibles sur le marché et largement utilisés par les consommateurs. En revanche, considérant que les biocapteurs biochimiques ne sont pas encore commercialisés malgré un potentiel important, il est difficile de détecter l'analyte d'intérêt.

La question selon laquelle les biocapteurs portables sont directement exposés au corps humain est d'une importance fondamentale ; par conséquent, on s'attend à ce qu'il ne pose aucun type de risque supplémentaire pour la santé de la vie humaine. Par conséquent, il est essentiel que le biocapteur portable soit biocompatible pour éviter une réponse immunitaire, ce qui rend les matériaux biocompatibles préférables pour les capteurs portables intelligents.

Patchs épidermiques comme surveillance des biomarqueurs métaboliques

L'intégration d'appareils portables dans les services de santé personnalisés a récemment fait l'objet d'une attention considérable. Les appareils portables peuvent être classés comme des accessoires portables (tels que des montres, des gants, etc.), des tissus portables (t-shirts, chaussettes, chaussures), du matériel portable (lunettes et casques) et des appareils sensoriels pour la surveillance de la santé. Avec les dispositifs miniaturisés intégrés et les avancées technologiques (microélectronique et communication sans fil), les capteurs biochimiques portables sont profondément intégrés et font désormais partie intégrante de nos vies ; cependant, d'autres développements sont nécessaires à l'avenir.

Parmi les dispositifs portables, les patchs épidermiques, développés de manière flexible et basée sur la microfluidique pour l'analyse en temps réel d'échantillons de sueur, méritent l'attention. Ce capteur est construit sur un substrat en plastique flexible intégré à un canal microfluidique spécial en spirale intégré avec des capteurs sélectifs d'ions ; ce système interface le composant de détection et peut analyser la sueur avec une technologie de carte de circuit imprimé (PCB). Le capteur pourrait potentiellement surveiller la concentration en ions (H, Na, K, Cl+++−) et le taux de sudation, ce qui facilite encore la surveillance des conditions physiologiques et cliniques humaines à l'aide des paramètres de transpiration. De plus, il reste encore de la place pour améliorer la résolution temporelle des capteurs, ce qui pourrait permettre une facilité et une productivité élevée dans la fabrication.

Un nouveau projet a récemment été développé, où des anticorps spécifiques au cortisol (MX210 Ab) ont été immobilisés sur une surface nanostructurée extensible et conformable avec détection impédimétrique. Avec un niveau de concentration d'anticorps optimisé, le patch offre une limite de détection de 1,0 pg mL-1 avec une plage de détection allant jusqu'à 1 μg mL-1. La nanostructure Au 3D en tant qu'électrode de travail permet la plus grande sensibilité, même si le capteur a la limite d'instabilité du complexe Ag-Ab sans reproductibilité. Pour surmonter le problème d'instabilité ci-dessus, un polymère d'empreintes moléculaires artificielles (MIP) synthétisé par la réaction de copolymérisation pour le dépistage du cortisol a été développé ; Les MIP possèdent une plus grande sélectivité contre le cortisol en tant que modèle, réversibilité, robustesse et reproductibilité. Le même groupe deles chercheurs ont également développé un appareil connu sous le nom de "SKINTRONICS", utile pour déterminer les niveaux de stress par détection électrodermique de la réponse galvanique de la peau ; Il s'agit d'un appareil multicouche avec une durée de port de 7 heures, avec des fonctionnalités hybrides flexibles conformes à la peau qui permettent l'acquisition de données en temps réel.

Actuellement, divers patchs portables ou plates-formes de détection à interface cutanée sont en cours de développement, ce qui indique un changement d'orientation vers une détection flexible.

Capteurs portables flexibles autorégénérants

Actuellement, les dispositifs médicaux portables sont limités par leur robustesse en raison de la facilité d'endommagement des composants du biocapteur, ce qui altère la fonction et réduit encore leurs performances, leur durée de conservation et leurs propriétés électroniques. Un biocapteur portable bio-fonctionnel bio-multifonctionnel idéal doit non seulement conserver ses fonctions électroniques, mais doit également posséder des propriétés d'auto-guérison pour maintenir ses caractéristiques physiques internes en cas de dommages micromécaniques mineurs.
Les appareils électroniques portables utilisés sur la peau doivent inclure des caractéristiques d'auto-guérison sans aucune stimulation externe (par exemple, la chaleur) pour restaurer leurs connexions mécaniques et électriques. À cette fin, plusieurs capteurs flexibles auto-cicatrisants à base de conducteurs et de polymères ont été étudiés, mais malgré le développement rapide dans le domaine des matériaux polymères auto-cicatrisants, seuls certains d'entre eux peuvent être utilisés dans le domaine de l'électronique portable flexible.
Le développement de capteurs électroniques auto-cicatrisants peut être réalisé en incorporant des liquides ioniques dans des canaux polymères auto-cicatrisants, où la perte de liquides ioniques en état de rupture est évitée en raison de l'effet capillaire. Un autre projet est basé sur un composite conducteur auto-cicatrisant de type caoutchouc, composé de micro-nickel inorganique (μNi) et de particules de polymère supramoléculaire organique qui possède un mécanisme d'auto-cicatrisation électrique et mécanique entraîné par la recombinaison de liaisons hydrogène entre les surfaces coupées. Un autre type de capteur a été développé utilisant un capteur de déformation structurelle en sandwich flexible, fabriqué en insérant une couche de nanofils d'argent polymère (AgNW) décorés avec des propriétés d'auto-cicatrisation dans des couches de PDMS (polydiméthylsiloxane) ; cette conception offre une bonne stabilité et élasticité. En outre, plusieurs rapports ont déjà été publiés qui prédisent potentiellement l'avancement des matériaux ou des nanocomposites utilisés dans les biocapteurs portables.
Les capteurs de type hydrogel ont attiré une attention prometteuse dans les capteurs portables avancés en raison de leurs propriétés mécaniques. Cependant, la production d'un hydrogel extensible et conducteur semblable à une peau avec les caractéristiques synergiques souhaitées d'élasticité, une capacité d'auto-guérison accrue et d'excellentes performances de détection, reste un défi. De plus, malgré les caractéristiques importantes des hydrogels, la fragilité et la faible résistance des hydrogels sont deux obstacles majeurs dans leurs applications ultérieures dans les dispositifs portables. Ces problèmes peuvent être surmontés par des stratégies telles que les réseaux doubles et interprètes tels que les hydrogels doubles, les hydrogels à base de nanocomposites (NC) et les hydrogels doubles réticulés avec de fortes propriétés mécaniques et une stabilité dans des conditions extrêmes.