人間の健康モニタリングにおけるバイオセンサー

現在、人間の健康モニタリングや個別化医療におけるウェアラブル バイオセンサーの設計と開発が大きな注目を集めています。ウェアラブル バイオセンサー (WBS) は、パッチ、手袋、衣類、インプラントなどの人体にセンサーを統合するポータブル電子デバイスで、モバイルまたはポータブル デバイスを使用して生体内での検出、記録、データの計算を実現し、医師と患者の間の双方向フィードバックを保証します。これらのデバイスは、唾液、汗、皮膚、涙などの人間の体液中のさまざまな生化学マーカーを非侵襲的にリアルタイムで定量化することもできます。

材料科学の革新と進歩、機械工学と無線通信技術の開発により、医療管理を改善するためにバイオマーカーの同時処理と分析にさまざまなウェアラブルデバイスが開発、採用されてきました。ウェアラブル技術市場の売上高は、その使いやすさにより、2025 年までに 700 億ドルに増加すると予想されています。

バイオセンサーは、2 つの基本的な機能単位、つまり「バイオリコーキング要素またはバイオレセプター」 (酵素、抗体、DNA、核酸、ペプチドなど) と、光学、電気化学、圧電、および熱タイプの物理化学トランスデューサーから構成されます。バイオレセプターは標的分析物の選択的認識を担当し、トランスデューサーはバイオレ認識イベントを測定可能な信号に変換する責任を負います。さらに、バイオセンサー技術の進歩により、ヘルスケアおよび生物医学用途における非侵襲的モニタリングのための最新のウェアラブル バイオセンサーの改良を開始する道が開かれました。

ウェアラブル生物物理センサーの特徴は、皮膚に接触して、ヘルスケア用途で重要な値を持つ血圧、心拍数、体温などの生物物理学的パラメーターをリアルタイムで測定できることです。これらの生物物理センサーは市場で入手可能であり、消費者によって広く使用されています。一方で、生化学バイオセンサーは大きな可能性を秘めているにもかかわらず、まだ市販されていないことを考慮すると、目的の分析物を検出することは困難です。

基本的に重要なのは、ウェアラブル バイオセンサーが人体に直接さらされるという問題です。したがって、人命の健康にいかなる追加のリスクももたらさないことが期待されます。したがって、免疫反応を回避するにはウェアラブル バイオセンサーが生体適合性であることが不可欠であり、スマート ウェアラブル センサーには生体適合性材料が好ましいものとなっています。

代謝バイオマーカーのモニタリングとしての表皮パッチ

ウェアラブル デバイスをパーソナライズされた医療サービスに統合することが、最近大きな注目を集めています。ウェアラブル デバイスは、ウェアラブル アクセサリ (時計、手袋など)、ウェアラブル ファブリック (T シャツ、靴下、靴)、ウェアラブル ハードウェア (メガネやヘルメット)、および健康監視用のセンサー デバイスに分類できます。統合された小型デバイスと技術 (マイクロエレクトロニクスと無線通信) の進歩により、ウェアラブル生化学センサーは深く組み込まれ、私たちの生活に不可欠な部分になりました。しかし、将来的にはさらなる開発が必要です。

ウェアラブルデバイスの中でも、汗サンプルのリアルタイム分析のために柔軟かつマイクロ流体ベースの方法で開発された表皮パッチは注目に値します。このセンサーは、イオン選択センサーを備えた特殊なスパイラル チャネル マイクロ流体が組み込まれた柔軟なプラスチック基板上に構築されています。このシステムはセンシングコンポーネントと接続し、プリント基板（PCB）テクノロジーを使用して汗を分析できます。このセンサーはイオン濃度（H、Na、K、Cl+++-）と発汗量をモニタリングできる可能性があり、これにより発汗パラメータを使用した人間の生理学的状態および臨床状態のモニタリングがさらに容易になります。さらに、センサーの時間分解能を改善する余地がまだあり、これにより製造が容易かつ高い生産性が可能になる可能性があります。

最近、コルチゾール特異的抗体 (MX210 Ab) が、インピーダンス検出機能を備えた伸長可能で形状に適合するナノ構造表面に固定化された新しいプロジェクトが開発されました。最適化された抗体濃度レベルにより、パッチは 1.0 pg mL-1 の検出限界と最大 1 μg mL-1 の検出範囲を提供します。 Au 3D ナノ構造を作用電極として使用することで、センサーに再現性のない Ag-Ab 複合体の不安定性の限界がある場合でも、最大の感度が可能になります。上記の不安定性の懸念を克服するために、コルチゾール スクリーニング用の共重合反応によって合成された人工分子指紋ポリマー (MIP) が開発されました。 MIP は、パターンとしてのコルチゾールに対する選択性、可逆性、堅牢性、再現性が優れています。同じ研究者グループは、皮膚の電気反応を皮膚電気的に検出することでストレスレベルを決定するのに役立つ、「SKINTRONICS」として知られるデバイスも開発しました。これは、リアルタイムのデータ取得を可能にする柔軟なハイブリッド皮膚適合機能を備えた、装着時間 7 時間の多層デバイスです。

現在、さまざまなウェアラブル パッチやスキン インターフェイスのセンシング プラットフォームが開発されており、柔軟なセンシングへの焦点の移行が示されています。

自己修復機能を備えた柔軟なウェアラブル センサー

現在、ウェアラブル医療機器は、バイオセンサーのコンポーネントが損傷しやすいため、その堅牢性が制限されており、損傷すると機能が変化し、性能、保存寿命、および電子特性がさらに低下します。理想的な生体多機能ウェアラブルバイオセンサーは、電子的機能を維持するだけでなく、軽微な微細機械的損傷が発生した場合でも内部の物理的特性を維持するための自己修復特性も備えていなければなりません。
皮膚上で使用されるウェアラブル電子デバイスは、外部刺激 (熱など) がなくても機械的および電気的接続を回復できる自己修復特性を備えている必要があります。この目的を達成するために、導体とポリマーをベースとしたいくつかの柔軟な自己修復センサーが研究されてきましたが、自己修復ポリマー材料の分野では急速に発展しているにもかかわらず、柔軟なウェアラブルエレクトロニクスの分野で使用できるのは一部だけです。
自己修復型電子センサーの開発は、イオン液体を自己修復ポリマーチャネルに組み込むことで実現でき、毛細管効果により破裂状態でのイオン液体の損失が回避されます。別のプロジェクトは、無機マイクロニッケル（μNi）と有機超分子ポリマー粒子で構成されたゴム状の自己修復導電性複合材料に基づいており、切断面間の水素結合の再結合によって駆動される電気的および機械的自己修復機構を備えています。別のタイプのセンサーは、PDMS (ポリジメチルシロキサン) の層に自己修復特性を備えたポリマー銀ナノワイヤー (AgNW) の層を挿入することによって製造された、柔軟なサンドイッチ構造変形センサーを使用して開発されました。このデザインにより、優れた安定性と弾力性が得られます。さらに、ウェアラブルバイオセンサーに使用される材料またはナノ複合材料の進歩を予測する可能性を示すいくつかのレポートがすでに発表されています。
ヒドロゲルタイプのセンサーは、その機械的特性により、先進的なウェアラブルセンサーにおいて有望な注目を集めています。しかし、弾性、自己修復能力の向上、および優れたセンシング性能という望ましい相乗特性を備えた、皮膚のように伸張性があり、導電性のヒドロゲルを製造することは依然として課題である。さらに、ヒドロゲルの重要な特性にもかかわらず、ヒドロゲルの脆弱性と強度の低さは、ウェアラブルデバイスへのさらなる応用における 2 つの大きな障害となっています。これらの問題は、ダブルヒドロゲル、ナノコンポジット（NC）ベースのヒドロゲル、極端な条件下での強力な機械的特性と安定性を備えた架橋ダブルヒドロゲルなどのダブルアンドインタープリターネットワークなどの戦略によって克服できます。