Biosensory w monitorowaniu zdrowia człowieka

Obecnie projektowanie i rozwój noszonych biosensorów w monitorowaniu zdrowia człowieka oraz medycynie spersonalizowanej zyskały znaczną uwagę. Noszone biosensory (WBS) to przenośne urządzenia elektroniczne, które integrują czujniki z ciałem człowieka w formie plastrów, rękawic, odzieży i implantów, umożliwiając wykrywanie, rejestrowanie i obliczanie danych in vivo za pomocą urządzeń mobilnych lub przenośnych, zapewniając dwukierunkową wymianę informacji między lekarzami a pacjentami. Urządzenia te pozwalają również na nieinwazyjne, natychmiastowe określanie różnych markerów biochemicznych w płynach ustrojowych człowieka, takich jak ślina, pot, skóra i łzy.

Dzięki innowacjom i postępom w nauce o materiałach oraz rozwojowi inżynierii mechanicznej i technologii komunikacji bezprzewodowej opracowano i zastosowano różne urządzenia noszone do jednoczesnego przetwarzania i analizy biomarkerów w celu poprawy zarządzania opieką zdrowotną. Przewiduje się, że sprzedaż rynku technologii noszonych wzrośnie do 70 miliardów dolarów do 2025 roku ze względu na ich łatwość użytkowania.

Biosensor składa się z dwóch podstawowych jednostek funkcjonalnych, mianowicie „elementu bioreagującego lub bioreceptora” (enzym, przeciwciało, DNA, kwas nukleinowy, peptyd itp.) oraz fizykochemicznego przetwornika optycznego, elektrochemicznego, piezoelektrycznego lub termicznego. Bioreceptor odpowiada za selektywne rozpoznanie docelowego analitu, a przetwornik za przekształcenie zdarzenia rozpoznania bioreakcji w mierzalny sygnał. Ponadto postęp w technologiach biosensorów otworzył drogę do ulepszania nowoczesnych noszonych biosensorów do nieinwazyjnego monitorowania w zastosowaniach medycznych i biomedycznych.

Charakterystyczne dla noszonych czujników biofizycznych jest ich stykanie się ze skórą, co umożliwia pomiar w czasie rzeczywistym parametrów biofizycznych, takich jak ciśnienie krwi, tętno i temperatura, które mają istotne znaczenie w zastosowaniach medycznych; te czujniki biofizyczne są dostępne na rynku i szeroko stosowane przez użytkowników. Z drugiej strony, biorąc pod uwagę, że biosensory biochemiczne nie są jeszcze dostępne na rynku, mimo posiadania dużego potencjału, trudno jest wykryć interesujący analit.

Podstawowe znaczenie ma fakt, że noszone biosensory są bezpośrednio narażone na kontakt z ciałem człowieka; dlatego oczekuje się, że nie będą stanowić żadnego dodatkowego zagrożenia dla zdrowia ludzkiego. W związku z tym niezbędne jest, aby noszony biosensor był biokompatybilny, aby uniknąć reakcji immunologicznej, co sprawia, że materiały biokompatybilne są preferowane do inteligentnych noszonych czujników.

Plastry naskórkowe jako monitorowanie metabolicznych biomarkerów

Integracja urządzeń noszonych z usługami zdrowotnymi spersonalizowanymi zyskała ostatnio znaczną uwagę. Urządzenia noszone można podzielić na akcesoria noszone (takie jak zegarki, rękawice itp.), tkaniny noszone (koszulki, skarpety, buty), sprzęt noszony (okulary i hełmy) oraz urządzenia sensoryczne do monitorowania zdrowia. Dzięki zintegrowanym miniaturowym urządzeniom i postępom w technologiach (mikroelektronika i komunikacja bezprzewodowa) noszone czujniki biochemiczne głęboko zakorzeniły się i stały się integralną częścią naszego życia; jednak w przyszłości potrzebny jest dalszy rozwój.

Wśród urządzeń noszonych plastry naskórkowe, opracowane w sposób elastyczny i oparty na mikrofluidyce do analizy próbek potu w czasie rzeczywistym, zasługują na uwagę. Ten czujnik jest zbudowany na elastycznym plastikowym podłożu zintegrowanym ze specjalnym spiralnym kanałem mikrofluidycznym wyposażonym w jonoselektywne czujniki; system ten łączy komponent sensoryczny i może analizować pot za pomocą technologii drukowanej płytki obwodów (PCB). Czujnik może potencjalnie monitorować stężenie jonów (H, Na, K, Cl+++-) oraz tempo pocenia się, co ułatwia monitorowanie ludzkich warunków fizjologicznych i klinicznych za pomocą parametrów potu. Ponadto istnieje jeszcze możliwość poprawy rozdzielczości czasowej czujników, co mogłoby ułatwić i zwiększyć wydajność produkcji.

Ostatnio opracowano nowy projekt, w którym przeciwciała specyficzne dla kortyzolu (MX210 Ab) zostały unieruchomione na rozciągliwej i dopasowującej się nanostrukturze powierzchni z detekcją impedancyjną. Przy zoptymalizowanym poziomie stężenia przeciwciał plaster oferuje granicę wykrywalności 1,0 pg/mL z zakresem wykrywania do 1 μg/mL. Nanostruktura Au 3D jako elektroda robocza zapewnia największą czułość, nawet jeśli czujnik ma ograniczenie niestabilności kompleksu Ag-Ab bez powtarzalności. Aby przezwyciężyć powyższy problem niestabilności, opracowano sztuczny polimer z molekularnym odciskiem palca (MIP) syntetyzowany w reakcji kopolimeryzacji do przesiewania kortyzolu; MIP-y cechują się większą selektywnością wobec kortyzolu jako wzorca, odwracalnością, wytrzymałością i powtarzalnością. Ta sama grupa badaczy opracowała również urządzenie znane jako „SKINTRONICS”, przydatne do określania poziomu stresu poprzez elektrodermalne wykrywanie reakcji galwanicznej skóry; jest to urządzenie wielowarstwowe z czasem noszenia do 7 godzin, z elastycznymi, dopasowującymi się do skóry cechami, które umożliwiają zbieranie danych w czasie rzeczywistym.

Obecnie opracowywane są różne plastry noszone lub platformy sensoryczne do interfejsu ze skórą, co wskazuje na przesunięcie uwagi w kierunku elastycznych czujników.

Elastyczne noszone czujniki samonaprawiające się

Obecnie medyczne urządzenia noszone są ograniczone pod względem trwałości ze względu na łatwość uszkodzenia elementów biosensora, co zmienia ich funkcję i dodatkowo obniża wydajność, trwałość i właściwości elektroniczne. Idealny wielofunkcyjny biofunkcjonalny noszony biosensor musi nie tylko utrzymywać swoje funkcje elektroniczne, ale także posiadać właściwości samonaprawcze, aby zachować swoje wewnętrzne cechy fizyczne w przypadku drobnych mikromechanicznych uszkodzeń.
Noszone urządzenia elektroniczne stosowane na skórze muszą mieć cechy samonaprawcze bez potrzeby zewnętrznej stymulacji (np. ciepła) do przywrócenia połączeń mechanicznych i elektrycznych. W tym celu badano kilka elastycznych czujników samonaprawczych opartych na przewodnikach i polimerach, ale pomimo szybkiego rozwoju w dziedzinie samonaprawczych materiałów polimerowych, tylko niektóre z nich mogą być stosowane w elastycznej elektronice noszonej.
Rozwój samonaprawczych czujników elektronicznych można osiągnąć przez wprowadzenie cieczy jonowych do kanałów samonaprawczych polimerów, gdzie utrata cieczy jonowych w stanie przerwania jest zapobiegana dzięki efektowi kapilarnemu. Inny projekt opiera się na gumopodobnym samonaprawczym przewodzącym kompozycie, składającym się z nieorganicznego mikro niklu (μNi) i organicznych cząstek polimeru supramolekularnego, który posiada mechanizm samonaprawczy elektryczny i mechaniczny napędzany rekombinacją wiązań wodorowych między przeciętymi powierzchniami. Inny typ czujnika opracowano, używając elastycznego czujnika odkształceń o strukturze kanapkowej, wyprodukowanego przez włożenie warstwy polimerowych nanowłókien srebra (AgNW) z właściwościami samonaprawczymi między warstwy PDMS (polidimetylosiloksanu); ten projekt zapewnia dobrą stabilność i elastyczność. Ponadto opublikowano już kilka raportów, które potencjalnie przewidują postęp materiałów lub nanokompozytów stosowanych w noszonych biosensorach.
Czujniki typu hydrożelowego zyskały obiecującą uwagę w zaawansowanych czujnikach noszonych ze względu na swoje właściwości mechaniczne. Jednak produkcja hydrożelu przypominającego skórę, rozciągliwego i przewodzącego, z pożądanymi synergicznymi cechami elastyczności, zwiększonej zdolności samonaprawczej i doskonałej wydajności sensorycznej, pozostaje wyzwaniem. Ponadto, pomimo ważnych cech hydrożeli, kruchość i niska wytrzymałość hydrożeli stanowią dwie główne przeszkody w ich dalszym zastosowaniu w urządzeniach noszonych. Problemy te można przezwyciężyć za pomocą strategii takich jak podwójne i sieci pośredniczące, na przykład podwójne hydrożele, hydrożele na bazie nanokompozytów (NC) oraz sieciowane podwójne hydrożele o silnych właściwościach mechanicznych i stabilności w ekstremalnych warunkach.