Biossensores no monitoramento da saúde humana

Hoje em dia, o design e o desenvolvimento de biossensores vestíveis no monitoramento da saúde humana e na medicina personalizada têm recebido atenção significativa. Biossensores vestíveis (WBS) são dispositivos eletrônicos portáteis que integram sensores ao corpo humano em patches, luvas, roupas e implantes, realizando detecção, registro e cálculo de dados in vivo usando dispositivos móveis ou portáteis, garantindo feedback bidirecional entre médicos e pacientes. Esses dispositivos também permitem a quantificação não invasiva e em tempo real de vários marcadores bioquímicos em fluidos corporais humanos, como saliva, suor, pele e lágrimas.

Com inovação e avanços na ciência dos materiais e desenvolvimento em engenharia mecânica e tecnologias de comunicação sem fio, vários dispositivos vestíveis foram desenvolvidos e empregados para o processamento e análise simultâneos de biomarcadores para melhorar o gerenciamento de cuidados de saúde. Espera-se que a venda do mercado de tecnologia vestível aumente para US$ 70 bilhões até 2025 devido à sua facilidade de uso.

Um biossensor é uma composição de duas unidades funcionais básicas, a saber, um "elemento de biorrecoque ou biorreceptor" (enzima, anticorpo, DNA, ácido nucleico, peptídeo, etc.) e um transdutor físico-químico de tipo óptico, eletroquímico, piezoelétrico e térmico. O biorreceptor é responsável pelo reconhecimento seletivo do analito alvo, e o transdutor é responsável por converter um evento de reconhecimento Biore em um sinal mensurável. Além disso, o avanço nas tecnologias de biossensores abriu o caminho para começar a melhorar os modernos biossensores vestíveis para monitoramento não invasivo em aplicações de saúde e biomédicas.

A característica dos sensores biofísicos vestíveis é o contato com a pele para fornecer medição em tempo real de parâmetros biofísicos, como pressão arterial, frequência cardíaca e temperatura, que possuem valores significativos em aplicações de saúde; Esses sensores biofísicos estão disponíveis no mercado e são amplamente utilizados pelos consumidores. Por outro lado, considerando que os biossensores bioquímicos ainda não são comercializados apesar de possuírem um potencial significativo, é difícil detectar o analito de interesse.

De fundamental importância é a questão de que os biossensores vestíveis estão diretamente expostos ao corpo humano; portanto, espera-se que não represente nenhum tipo de risco adicional à saúde da vida humana. Portanto, é essencial que o biossensor vestível seja biocompatível para evitar uma resposta imunológica, o que torna os materiais biocompatíveis preferíveis para sensores vestíveis inteligentes.

Patches epidérmicos como monitoramento de biomarcadores metabólicos

A integração de dispositivos vestíveis em serviços de saúde personalizados ganhou atenção significativa recentemente. Os dispositivos vestíveis podem ser classificados como acessórios vestíveis (como relógios, luvas, etc.), tecidos vestíveis (camisetas, meias, sapatos), hardware vestível (óculos e capacetes) e dispositivos sensoriais para monitoramento da saúde. Com dispositivos miniaturizados integrados e avanços em tecnologias (microeletrônica e comunicação sem fio), os sensores bioquímicos vestíveis foram profundamente incorporados e se tornaram parte integrante de nossas vidas; no entanto, ainda é necessário desenvolvimento no futuro.

Entre os dispositivos vestíveis, merecem atenção os adesivos epidérmicos, desenvolvidos de forma flexível e com base microfluídica para análise em tempo real de amostras de suor. Este sensor é construído em um substrato plástico flexível integrado a um canal espiral especial microfluídico integrado com sensores seletivos de íons; esse sistema faz interface com o componente de detecção e pode analisar o suor com uma tecnologia de placa de circuito impresso (PCB). O sensor poderia monitorar potencialmente a concentração de íons (H, Na, K, Cl+++-) e a taxa de suor, o que facilita ainda mais o monitoramento das condições fisiológicas e clínicas humanas usando parâmetros de suor. Além disso, ainda há espaço para melhorar a resolução temporal dos sensores, o que poderá permitir facilidade e alta produtividade na fabricação.

Um novo projeto foi desenvolvido recentemente, onde anticorpos específicos para cortisol (MX210 Ab) foram imobilizados em uma superfície nanoestruturada extensível e adaptável com detecção impedimétrica. Com um nível de concentração de anticorpos otimizado, o adesivo oferece um limite de detecção de 1,0 pg mL-1 com faixa de detecção de até 1 μg mL-1. A nanoestrutura Au 3D como eletrodo de trabalho permite a maior sensibilidade, mesmo que o sensor tenha o limite de instabilidade do complexo Ag-Ab sem reprodutibilidade. Para superar a preocupação acima de instabilidade, foi desenvolvido um polímero de impressão digital molecular artificial (MIP) sintetizado pela reação de copolimerização para triagem de cortisol; Os MIPs possuem maior seletividade contra o cortisol como padrão, reversibilidade, robustez e reprodutibilidade. O mesmo grupo de investigadores desenvolveu também um dispositivo conhecido como “SKINTRONICS”, útil para determinar os níveis de stress através da detecção electrodérmica da resposta galvânica da pele; É um dispositivo multicamadas com tempo de uso de 7 horas, com recursos flexíveis de conformidade com a pele híbrida que permitem a aquisição de dados em tempo real.

Atualmente, vários patches vestíveis ou plataformas de detecção com interface de pele estão sendo desenvolvidos, indicando uma mudança de foco em direção à detecção flexível.

Sensores vestíveis flexíveis e auto-reparáveis

Atualmente, os dispositivos médicos vestíveis são limitados pela sua robustez devido à facilidade de danos aos componentes do biossensor, que alteram a função e reduzem ainda mais o seu desempenho, prazo de validade e propriedades eletrônicas. Um biossensor vestível bio-multifuncional ideal não deve apenas manter suas funções eletrônicas, mas também possuir propriedades de autocura para manter suas características físicas internas em caso de pequenos danos micromecânicos.
Dispositivos eletrônicos vestíveis usados ​​na pele devem incluir características de autocura sem qualquer estimulação externa (por exemplo, calor) para restaurar suas conexões mecânicas e elétricas. Para este fim, vários sensores flexíveis de autocura baseados em condutores e polímeros foram estudados, mas apesar do rápido desenvolvimento no campo de materiais poliméricos de autocura, apenas alguns deles podem ser usados ​​no campo da eletrônica flexível vestível.
O desenvolvimento de sensores eletrônicos autocurativos pode ser alcançado através da incorporação de líquidos iônicos em canais poliméricos autocurativos, onde a perda de líquidos iônicos em estado de ruptura é evitada devido ao efeito capilar. Outro projeto é baseado em um compósito condutor autocurativo tipo borracha, composto de microníquel inorgânico (μNi) e partícula de polímero supramolecular orgânico que possui um mecanismo de autocura elétrico e mecânico acionado pela recombinação de ligações de hidrogênio entre as superfícies cortadas. Outro tipo de sensor foi desenvolvido utilizando um sensor de deformação estrutural sanduíche flexível, fabricado através da inserção de uma camada de nanofios de prata polimérica (AgNW) decorados com propriedades autocurativas em camadas de PDMS (polidimetilsiloxano); este design oferece boa estabilidade e elasticidade. Além disso, já foram publicados vários relatórios que potencialmente prevêem o avanço de materiais ou nanocompósitos utilizados em biossensores vestíveis.
Sensores do tipo hidrogel ganharam atenção promissora em sensores vestíveis avançados devido às suas propriedades mecânicas. No entanto, a produção de um hidrogel extensível e condutor semelhante à pele, com as características sinérgicas desejadas de elasticidade, maior capacidade de autocura e excelente desempenho de detecção, permanece um desafio. Além disso, apesar das características importantes dos hidrogéis, a fragilidade e a baixa resistência dos hidrogéis são dois grandes obstáculos nas suas futuras aplicações em dispositivos vestíveis. Esses problemas podem ser superados por estratégias como redes duplas e intérpretes, como hidrogéis duplos, hidrogéis à base de nanocompósitos (NC) e hidrogéis duplos reticulados com fortes propriedades mecânicas e estabilidade sob condições extremas.