Oggi, la progettazione e lo sviluppo di biosensori indossabili nel monitoraggio della salute umana e nella medicina personalizzata hanno raccolto un'attenzione significativa. I biosensori indossabili (WBS) sono dispositivi elettronici portatili che integrano sensori con il corpo umano in cerotti, guanti, indumenti e impianti, realizzando il rilevamento in vivo, la registrazione e il calcolo dei dati utilizzando dispositivi mobili o portatili, garantendo un feedback bidirezionale tra medici e pazienti. Questi dispositivi consentono anche la quantificazione non invasiva e in tempo reale di vari marcatori biochimici nei fluidi corporei umani, come saliva, sudore, pelle e lacrime.
Con l'innovazione e i progressi nella scienza dei materiali e lo sviluppo nell'ingegneria meccanica e nelle tecnologie di comunicazione wireless, sono stati sviluppati e utilizzati vari dispositivi indossabili per l'elaborazione e l'analisi simultanee di biomarcatori per migliorare la gestione sanitaria. Si prevede che la vendita del mercato della tecnologia indossabile aumenterà a $ 70 miliardi entro il 2025 per la loro facilità d'uso.
Un biosensore è una composizione di due unità funzionali di base, vale a dire un "elemento di biorecoking o biorecettore" (enzima, anticorpo, DNA, acido nucleico, peptide, ecc.) e un trasduttore fisico-chimico di elementi ottici, elettrochimici, piezoelettrici e termici genere. Il biorecettore è responsabile del riconoscimento selettivo dell'analita target e il trasduttore è responsabile della conversione di un evento di riconoscimento del biore in un segnale misurabile. Inoltre, il progresso nelle tecnologie dei biosensori ha spianato la strada per iniziare a migliorare i moderni biosensori indossabili per il monitoraggio non invasivo nelle applicazioni sanitarie e biomediche.
Caratteristica dei sensori biofisici indossabili è quella del contatto con la pelle per fornire misurazioni in tempo reale di parametri biofisici come pressione sanguigna, frequenza cardiaca e temperatura che possiedono valori significativi nelle applicazioni sanitarie; Questi sensori biofisici sono disponibili sul mercato e ampiamente utilizzati dai consumatori. D'altra parte, considerando che i biosensori biochimici non sono ancora commercializzati nonostante possiedano un potenziale significativo, è difficile rilevare l'analita di interesse.
Di fondamentale importanza è la domanda che i biosensori indossabili sono direttamente esposti al corpo umano; pertanto, si prevede che non comporti alcun tipo di rischio aggiuntivo per la salute della vita umana. Pertanto, è essenziale che il biosensore indossabile sia biocompatibile per evitare una risposta immunitaria, il che rende preferibili i materiali biocompatibili per i sensori indossabili intelligenti.
Cappucci epidermici come monitoraggio dei biomarcatori metabolici
L'integrazione dei dispositivi indossabili nei servizi sanitari personalizzati ha recentemente ricevuto notevole attenzione. I dispositivi indossabili possono essere classificati come accessori indossabili (come orologi, guanti, ecc.), tessuti indossabili (magliette, calze, scarpe), hardware indossabili (occhiali e caschi) e dispositivi sensoriali per il monitoraggio della salute. Con dispositivi miniaturizzati integrati e progressi nelle tecnologie (microelettronica e comunicazione wireless), i sensori biochimici indossabili sono profondamente radicati e diventano parte integrante delle nostre vite; tuttavia, in futuro è necessario ulteriore sviluppo.
Tra i dispositivi indossabili meritano attenzione i cerotti epidermici, sviluppati in maniera flessibile e basata sulla microfluidica per l'analisi in tempo reale dei campioni di sudore. Questo sensore è costruito su un substrato di plastica flessibile integrato con uno speciale canale microfluidico a spirale integrato con sensori ionoselettivi; questo sistema si interfaccia con il componente di rilevamento e può analizzare il sudore con una tecnologia a circuito stampato (PCB). Il sensore potrebbe potenzialmente monitorare la concentrazione di ioni (H, Na, K, Cl++++−) e la velocità del sudore, il che facilita ulteriormente il monitoraggio delle condizioni fisiologiche e cliniche umane utilizzando i parametri della sudorazione. Inoltre, c'è ancora spazio per migliorare la risoluzione temporale dei sensori, il che potrebbe consentire facilità e alta produttività nella produzione.
Recentemente è stato sviluppato un nuovo progetto in cui gli anticorpi cortisolo-specifici (MX210 Ab) sono stati immobilizzati su una superficie nanostrutturata estensibile e conformabile con rilevamento impedimetrico. Con un livello di concentrazione anticorpale ottimizzato, il cerotto offre un limite di rilevamento di 1,0 pg mL-1 con un intervallo di rilevamento fino a 1 μg mL-1. La nanostruttura Au 3D come elettrodo di lavoro consente la massima sensibilità, anche se il sensore ha il limite dell'instabilità del complesso Ag-Ab senza riproducibilità. Per superare la preoccupazione di instabilità di cui sopra, è stato sviluppato un polimero artificiale dell'impronta molecolare (MIP) sintetizzato dalla reazione di copolimerizzazione per lo screening del cortisolo; I MIP possiedono una maggiore selettività contro il cortisolo come modello, reversibilità, robustezza e riproducibilità. Lo stesso gruppo dii ricercatori hanno inoltre sviluppato un dispositivo noto come "SKINTRONICS", utile per determinare i livelli di stress attraverso il rilevamento elettrodermico della risposta galvanica della pelle; È un dispositivo multistrato con un tempo di usura di 7 ore, con caratteristiche ibride flessibili che si conformano alla pelle che consentono l'acquisizione dei dati in tempo reale.
Attualmente sono in fase di sviluppo vari cerotti indossabili o piattaforme di rilevamento interfacciate con la pelle, che indicano uno spostamento dell'attenzione verso il rilevamento flessibile.
Sensori indossabili flessibili autorigeneranti
Attualmente, i dispositivi medici indossabili sono limitati dalla loro robustezza a causa della facilità di danneggiamento dei componenti del biosensore, che ne alterano la funzione e ne riducono ulteriormente le prestazioni, la durata e le proprietà elettroniche. Un biosensore indossabile bio-multifunzionale bio-funzionale ideale non deve solo mantenere le sue funzioni elettroniche, ma deve anche possedere proprietà autorigeneranti per mantenere le sue caratteristiche fisiche interne in caso di danni micromeccanici minori.
I dispositivi elettronici indossabili utilizzati sulla pelle devono includere caratteristiche di autoguarigione senza alcuna stimolazione esterna (es. calore) per ripristinare i loro collegamenti meccanici ed elettrici. A tal fine sono stati studiati diversi sensori flessibili autorigeneranti a base di conduttori e polimeri, ma nonostante il rapido sviluppo nel campo dei materiali polimerici autorigeneranti, solo alcuni di essi possono essere utilizzati nel campo dell'elettronica flessibile indossabile.
Lo sviluppo di sensori elettronici autorigeneranti può essere ottenuto incorporando liquidi ionici in canali polimerici autorigeneranti, dove viene evitata la perdita di liquidi ionici in stato di rottura per effetto capillare. Un altro progetto si basa su un composito conduttivo autorigenerante simile alla gomma, composto da micro nichel inorganico (μNi) e particelle di polimero supramolecolare organico che possiede un meccanismo di autorigenerazione elettrico e meccanico guidato dalla ricombinazione dei legami idrogeno tra le superfici tagliate. Un altro tipo di sensore è stato sviluppato utilizzando un sensore di deformazione strutturale a sandwich flessibile, realizzato inserendo uno strato di nanofili d'argento polimerici (AgNW) decorati con proprietà autorigeneranti in strati di PDMS (polidimetilsilossano); questo design offre una buona stabilità ed elasticità. Inoltre, sono già stati pubblicati numerosi rapporti che potenzialmente prevedono l'avanzamento di materiali o nanocompositi utilizzati nei biosensori indossabili.
I sensori di tipo idrogel hanno ottenuto un'attenzione promettente nei sensori indossabili avanzati grazie alle loro proprietà meccaniche. Tuttavia, la produzione di un idrogel estensibile e conduttivo simile alla pelle con le caratteristiche sinergiche desiderate di elasticità, maggiore capacità di autoguarigione ed eccellenti prestazioni di rilevamento, rimane una sfida. Inoltre, nonostante le importanti caratteristiche degli idrogel, la fragilità e la bassa resistenza degli idrogel sono due ostacoli principali nelle loro ulteriori applicazioni nei dispositivi indossabili. Questi problemi possono essere superati da strategie come reti doppie e interprete come idrogel doppi, idrogel a base di nanocompositi (NC) e idrogel doppi reticolati con forti proprietà meccaniche e stabilità in condizioni estreme.
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