In een nieuwe studie gepubliceerd op wetenschappelijke vooruitgang , Yichao Zhao en een onderzoeksteam in geïntegreerde bio-elektronica en materialen en engineering in de VS hebben een wegwerp-, vrijstaand elektrochemisch detectiesysteem (FESS). Dankzij de FESS konden ze een ontwerpstrategie op systeemniveau realiseren om de uitdagingen van draagbare biosensoren in aanwezigheid van beweging aan te pakken en naadloze integratie met consumentenelektronica mogelijk te maken. Het team ontwikkelde een FESS-compatibele smartwatch, met zweetmonsters, elektrochemische detectie en gegevensweergave of -overdracht, binnen een op zichzelf staand draagbaar platform. Het team gebruikte de FESS-smartwatch om de profielen van zweetmetabolieten bij individuen in sedentaire en zeer intensieve trainingsomgevingen te volgen.

De internet-of-things-infrastructuur (IOT) kan worden gebruikt in draagbare consumentenelektronica om gepersonaliseerde en precisiegeneeskunde te transformeren door fysiologisch relevante gegevens te verzamelen met minimale tussenkomst van de gebruiker. Wetenschappers hebben meestal fysieke sensoren gebruikt in commerciële draagbare platforms om de fysieke activiteit en vitale functies van een gebruiker te volgen. Echter, inzicht krijgen in de dynamische chemie van het lichaam, onderzoekers hebben elektrochemische detectieoppervlakken nodig om zich te richten op de biomarkermoleculen in niet-invasief opgehaalde lichaamsvloeistoffen zoals zweet. Om dit te bereiken, het is van cruciaal belang om de informatieoverdrachtroute van de skin naar een uitleeseenheid nauwkeurig te ontwerpen. Voor elektrochemische detectie, de informatieafgifteroute moet de biomarkerrijke biovloeistof bemonsteren en afleveren aan het sensoroppervlak in een microfluïdische structuur, gevolgd door signaaltransductie via onderling verbonden elementen naar de uitleeselektronica. Het signaal moet langs deze route worden gehandhaafd in de aanwezigheid van door beweging geïnduceerde spanning.

In dit werk, Zhao et al. ontwikkelde het vrijstaande elektrochemische detectiesysteem (FESS) en hechtte het tegelijkertijd aan de huid en aan de elektronica met behulp van dubbelzijdige hechtkrachten zonder stijve connectoren. De FESS bemonsterde en regisseerde epidermaal biovloeistoffen voor elektrochemische detectie, gevolgd door routering naar uitleeselektronica via een spanningsgeïsoleerd pad. Ze integreerden de FESS in een op maat gemaakte smartwatch voor zweetinductie, bemonstering, elektrochemische detectie, signaalverwerking en gegevensweergave of -overdracht. De resultaten toonden high-fidelity signaaltransductie en robuust mechanisch contact met de menselijke huid zonder de beweging van de gebruiker te beperken. Het vrijstaande sensorsysteem kan worden gekoppeld aan toekomstige draagbare elektronica om high-fidelity gezondheids- en welzijnsgerelateerde datasets te genereren op basis van de dagelijkse activiteiten van gebruikers.

Om een ​​efficiënte biologische route te creëren, Zhao et al. geselecteerde integrine - een celadhesiemolecuul dat op efficiënte wijze fysiologische informatie-uitwisseling tussen intracellulaire en extracellulaire matrices mogelijk maakte. Het FESS-apparaat implementeerde integrine-achtige functionaliteiten via een spanningsgeïsoleerd gebied in een microfluïdische structuur. Ze ontwikkelden FESS als een verticaal geleidend, dubbelzijdig klevend en flexibel microfluïdisch bioanalytisch dunne-filmsysteem bestaande uit meerdere verticaal gestapelde films. Deze films omvatten een zelfklevende anisotrope geleidende film (ACF), een edele metalen elektrode-arrayfilm, een biochemische film, een microfluïdische film en een huidklevende film. Ze plakten het complete dunne-filmsysteem op de uitleeselektronica zonder connectoren en met minimale contactweerstand om elk elektrisch contact mogelijk om te zetten in een chemische of biologische sensor. Het team ontwikkelde een proof-of-principle, zelfstandige biomarker-sensing smartwatch met FESS om de zweetmetabolietprofielen van individuen in sedentaire versus intensieve omgevingen te volgen.

In deze opstelling, de verticale geleidbaarheid van ACF vergemakkelijkte out-of-plane signaalinterconnecties om ongewenste door lichaamsbewegingen veroorzaakte spanningseffecten op de signaalroutes te voorkomen. Het team karakteriseerde de mechanische adhesie-eigenschap van FESS om ervoor te zorgen dat de adhesiekrachten tussen de FESS en elektronica hoger waren dan die tussen FESS en een droge of actief zwetende huid. Het team testte de kracht die nodig was om de ACF-laag van de FESS af te pellen op een printplaat en de resultaten toonden een sterke FESS-gebaseerde verbinding met elektronica, geschikt voor toepassingen op het lichaam.

Zhao et al. testte vervolgens het signaaltransductievermogen van de FESS. Ze vormden edelmetaalelektroden op de ACF om biochemische-naar-elektrische signaaltransductie te bereiken, gevolgd door afzetting van biochemische films om biomoleculaire doelen van belang te analyseren. Ze testten de elektrochemische activiteit van ACF met metaalpatroon voor twee veelgebruikte elektrode-oppervlakken op ongewijzigd goud (Au) en platina (Pt) nanodeeltjes-gemodificeerd Au. De elektroanalytische methoden die in het werk werden onderzocht, leverden biomarker-uitlezingen van monster tot antwoord om realtime inzicht te krijgen in de veranderingen in de biocompositie van zweet.

In de volgende paar experimenten, het onderzoeksteam toonde het vermogen van FESS om biomarkers te monitoren tijdens de dagelijkse activiteiten van de gebruiker. Om dit te bereiken, ze integreerden FESS in een op maat ontwikkelde smartwatch als een model IOT-apparaat met een analoog/digitaal circuit, Bluetooth-transceiver en een LCD-scherm (liquid crystal display) voor functionaliteiten op systeemniveau, inclusief signaal- en gebruikersopdrachtverwerking, display en draadloze datacommunicatie. De op FESS gebaseerde smartwatch presteerde op dezelfde manier als een potentiostaat. De wetenschappers plakten de complete smartwatch op de huid zonder externe omhulsels of armaturen voor draadloze biomarkerdetectie als een op zichzelf staande eenheid. Het LCD-scherm toonde realtime metingen en het tijdelijke profiel van de biomarkermetingen, terwijl de Bluetooth-ontvanger de metingen doorstuurde naar een op maat ontwikkelde mobiele applicatie om de gegevens naar een cloudserver te uploaden voor verdere analyse.

Het team plakte de op FESS gebaseerde smartwatch op de onderarm van een proefpersoon om zijn functie als een draagbaar systeem voor het bewaken van biomarkers weer te geven. De proefpersoon kan het apparaat draadloos bedienen om real-time, op zweet gebaseerde biomarkermetingen ten opzichte van de dagelijkse routine van de gebruiker. De gebruiker controleerde hun zweetglucosewaarden voor of na het nuttigen van een gemengde reeks maaltijden en de uitlezing van de smartwatch gaf verhoogde zweetglucosewaarden aan na voedselinname, in lijn met eerdere trends. De smartwatch gaf bovendien gebruikersinformatie over zweetlactaatmetingen tijdens het hardlopen in een veld, de resultaten waren consistent ondanks de betrokkenheid van hoogfrequente en op hoge versnelling gebaseerde lichaamsbewegingen.

Op deze manier, Yichao Zhao en collega's onderzochten de biomarker-informatieafgifteroute en herkenden bijna nul gespannen gebieden in een microfluïdische detectiemodule om een ​​spanningsgeïsoleerd pad te ontwikkelen om de betrouwbaarheid van biomarkergegevens te behouden. Het dunnefilmsysteem dat de vrijstaande FESS-entiteit vormde, was bio-geïnspireerd door integrine-achtige functionaliteiten voor signaaltransductie en signaalinterconnectie via dubbelzijdige hechting. De FESS overbrugde op efficiënte wijze de huid en uitleeselektronica om informatie over biomarkers te verzamelen. Het team koppelde het FESS-systeem naadloos aan een op maat ontwikkelde smartwatch als draagbare biosensor om real-time biomarker-uitlezingen te bewaken tijdens de dagelijkse routine van een gebruiker. Om het in dit werk ontwikkelde prototype te commercialiseren, Zhao et al. toekomstige klinische onderzoeken voorstellen om op zweet gebaseerde biomarkermetingen in kaart te brengen en informatie te verkrijgen over de fysiologische status van de gebruikers. De voordelen van dit werk, inclusief hun gemakkelijke integratie met draagbare elektronica en high-fidelity-metingen kunnen worden gebruikt om grootschalige klinische onderzoeken uit te voeren.

© 2020 Wetenschap X Netwerk