Obecnie duże zainteresowanie budzi projektowanie i rozwój biosensorów do noszenia w monitorowaniu zdrowia człowieka i medycynie spersonalizowanej. Biosensory ubieralne (WBS) to przenośne urządzenia elektroniczne, które integrują czujniki z ciałem ludzkim w plastrach, rękawiczkach, odzieży i implantach, realizując wykrywanie, rejestrowanie i obliczanie danych in vivo za pomocą urządzeń mobilnych lub przenośnych, zapewniając dwukierunkową informację zwrotną między lekarzami i pacjentami. Urządzenia te umożliwiają także nieinwazyjną ocenę ilościową w czasie rzeczywistym różnych markerów biochemicznych w płynach ustrojowych człowieka, takich jak ślina, pot, skóra i łzy.
Dzięki innowacjom i postępowi w materiałoznawstwie oraz rozwojowi inżynierii mechanicznej i technologii komunikacji bezprzewodowej opracowano i zastosowano różne urządzenia do noszenia do jednoczesnego przetwarzania i analizy biomarkerów w celu poprawy zarządzania opieką zdrowotną. Oczekuje się, że sprzedaż rynku technologii noszenia na ciele do 2025 r. wzrośnie do 70 miliardów dolarów ze względu na łatwość obsługi.
Biosensor to kompozycja dwóch podstawowych jednostek funkcjonalnych, a mianowicie „elementu bioprzetwarzającego lub bioreceptora” (enzym, przeciwciało, DNA, kwas nukleinowy, peptyd itp.) oraz przetwornika fizykochemicznego typu optycznego, elektrochemicznego, piezoelektrycznego i termicznego. Bioreceptor jest odpowiedzialny za selektywne rozpoznawanie docelowego analitu, a przetwornik jest odpowiedzialny za przekształcenie zdarzenia rozpoznania Biore w mierzalny sygnał. Ponadto postęp w technologiach biosensorów utorował drogę do rozpoczęcia udoskonalania nowoczesnych bioczujników do noszenia na potrzeby nieinwazyjnego monitorowania w opiece zdrowotnej i zastosowaniach biomedycznych.
Cechą charakterystyczną czujników biofizycznych do noszenia jest kontakt ze skórą w celu zapewnienia pomiaru w czasie rzeczywistym parametrów biofizycznych, takich jak ciśnienie krwi, tętno i temperatura, które mają istotne wartości w zastosowaniach związanych z opieką zdrowotną; Te czujniki biofizyczne są dostępne na rynku i szeroko stosowane przez konsumentów. Z drugiej strony, biorąc pod uwagę, że biosensory biochemiczne nie zostały jeszcze wprowadzone na rynek, mimo że posiadają znaczny potencjał, trudno jest wykryć interesujący nas analit.
Fundamentalne znaczenie ma kwestia tego, czy przenośne bioczujniki mają bezpośredni kontakt z ciałem ludzkim; dlatego też oczekuje się, że nie będzie stwarzał żadnego dodatkowego zagrożenia dla zdrowia ludzkiego. Dlatego istotne jest, aby bioczujnik do noszenia był biokompatybilny, aby uniknąć odpowiedzi immunologicznej, co sprawia, że w przypadku inteligentnych czujników do noszenia preferowane są materiały biokompatybilne.
Plastry naskórkowe jako monitorowanie biomarkerów metabolicznych
Ostatnio dużą uwagę zwraca się na integrację urządzeń przenośnych ze spersonalizowanymi usługami zdrowotnymi. Urządzenia do noszenia można sklasyfikować jako akcesoria do noszenia (takie jak zegarki, rękawiczki itp.), tkaniny do noszenia (t-shirty, skarpetki, buty), sprzęt do noszenia (okulary i kaski) oraz urządzenia sensoryczne do monitorowania stanu zdrowia. Dzięki zintegrowanym zminiaturyzowanym urządzeniom i postępowi technologii (mikroelektronika i komunikacja bezprzewodowa) przenośne czujniki biochemiczne głęboko zakorzeniły się i stały się integralną częścią naszego życia; jednakże w przyszłości niezbędny jest dalszy rozwój.
Wśród urządzeń przenośnych na uwagę zasługują plastry naskórkowe, opracowane w elastyczny i oparty na mikroprzepływach sposób do analizy próbek potu w czasie rzeczywistym. Czujnik ten jest zbudowany na elastycznym podłożu z tworzywa sztucznego zintegrowanym ze specjalnym mikroprzepływowym kanałem spiralnym, wbudowanym w czujniki jonoselektywne; system ten łączy się z elementem czujnikowym i może analizować pot za pomocą technologii płytki drukowanej (PCB). Czujnik mógłby potencjalnie monitorować stężenie jonów (H, Na, K, Cl+++−) i szybkość pocenia się, co dodatkowo ułatwia monitorowanie warunków fizjologicznych i klinicznych człowieka za pomocą parametrów pocenia się. Ponadto nadal istnieje możliwość poprawy rozdzielczości czasowej czujników, co mogłoby zapewnić łatwość i wysoką wydajność produkcji.
Niedawno opracowano nowy projekt, w ramach którego przeciwciała specyficzne dla kortyzolu (MX210 Ab) unieruchomiono na rozciągliwej i dopasowującej się nanostrukturalnej powierzchni z detekcją impedancyjną. Dzięki zoptymalizowanemu poziomowi stężenia przeciwciał plaster oferuje granicę wykrywalności wynoszącą 1,0 pg mL-1 z zakresem detekcji do 1 μg mL-1. Nanostruktura Au 3D jako elektroda robocza pozwala na największą czułość, nawet jeśli czujnik ma granicę niestabilności kompleksu Ag-Ab bez powtarzalności. Aby przezwyciężyć powyższe obawy dotyczące niestabilności, opracowano sztuczny polimer molekularnego odcisku palca (MIP) syntetyzowany w reakcji kopolimeryzacji do badania przesiewowego kortyzolu; MIP charakteryzują się większą selektywnością wobec kortyzolu jako wzoru, odwracalności, solidności i odtwarzalności. Ta sama grupa badaczy opracowała także urządzenie znane jako „SKINTRONICS”, przydatne do określania poziomu stresu poprzez elektrodermalną detekcję reakcji galwanicznej skóry; Jest to urządzenie wielowarstwowe o czasie noszenia wynoszącym 7 godzin, posiadające elastyczne, hybrydowe funkcje dopasowujące się do skóry, które umożliwiają gromadzenie danych w czasie rzeczywistym.
Obecnie opracowywane są różne plastry do noszenia lub platformy czujnikowe stykające się ze skórą, co wskazuje na zmianę punktu ciężkości w kierunku elastycznego wykrywania.
Samonaprawiające się, elastyczne czujniki do noszenia
Obecnie ograniczenia urządzeń medycznych do noszenia wynikają z ich wytrzymałości ze względu na łatwość uszkodzenia elementów bioczujników, co zmienia ich działanie i dodatkowo zmniejsza ich wydajność, trwałość i właściwości elektroniczne. Idealny biowielofunkcyjny biofunkcjonalny biosensor do noszenia musi nie tylko zachowywać swoje funkcje elektroniczne, ale musi także posiadać właściwości samonaprawy, aby zachować swoje wewnętrzne właściwości fizyczne w przypadku niewielkich uszkodzeń mikromechanicznych.
Przenośne urządzenia elektroniczne stosowane na skórze muszą charakteryzować się właściwościami samonaprawy bez żadnej zewnętrznej stymulacji (np. ciepła) w celu przywrócenia ich połączeń mechanicznych i elektrycznych. W tym celu zbadano kilka elastycznych, samonaprawiających się czujników opartych na przewodnikach i polimerach, jednak pomimo szybkiego rozwoju w dziedzinie samonaprawiających się materiałów polimerowych, tylko niektóre z nich mogą znaleźć zastosowanie w dziedzinie elastycznej elektroniki ubieralnej.
Rozwój samonaprawiających się czujników elektronicznych można osiągnąć poprzez wprowadzenie cieczy jonowych do samonaprawiających się kanałów polimerowych, w których unika się utraty cieczy jonowych w stanie pęknięcia ze względu na efekt kapilarny. Inny projekt opiera się na gumopodobnym, samonaprawiającym się kompozycie przewodzącym, składającym się z nieorganicznego mikroniklu (μNi) i organicznych cząstek supramolekularnego polimeru, który posiada elektryczny i mechaniczny mechanizm samonaprawy napędzany rekombinacją wiązań wodorowych pomiędzy przeciętymi powierzchniami. Opracowano inny typ czujnika wykorzystujący elastyczny wielowarstwowy czujnik odkształceń strukturalnych, wytwarzany poprzez wstawienie warstwy polimerowych nanodrutów srebra (AgNW) ozdobionych właściwościami samonaprawiającymi się w warstwach PDMS (polidimetylosiloksanu); konstrukcja ta zapewnia dobrą stabilność i elastyczność. Ponadto opublikowano już kilka raportów, które potencjalnie przewidują postęp w zakresie materiałów lub nanokompozytów stosowanych w bioczujnikach do noszenia.
Czujniki typu hydrożelowego zyskały obiecującą uwagę w zaawansowanych czujnikach do noszenia ze względu na ich właściwości mechaniczne. Jednakże produkcja przypominającego skórę, rozciągliwego i przewodzącego hydrożelu o pożądanych synergistycznych właściwościach elastyczności, zwiększonej zdolności samoleczenia i doskonałej skuteczności wykrywania pozostaje wyzwaniem. Ponadto, pomimo ważnych właściwości hydrożeli, kruchość i niska wytrzymałość hydrożeli to dwie główne przeszkody w ich dalszym zastosowaniu w urządzeniach do noszenia. Problemy te można przezwyciężyć za pomocą strategii takich jak sieci podwójne i interpretatory, takie jak podwójne hydrożele, hydrożele na bazie nanokompozytów (NC) i usieciowane podwójne hydrożele o silnych właściwościach mechanicznych i stabilności w ekstremalnych warunkach.
Note: All information on Sinocare blog articles is for educational purposes only. For specific medical advice, diagnoses, and treatment, consult your doctor.