Draagbare sensortechnologie is een essentiële schakel in gepersonaliseerde geneeskunde, waar onderzoekers meerdere analyten tegelijkertijd in het lichaam moeten volgen, om een ​​volledig beeld te krijgen van de menselijke gezondheid. In een nieuw verslag over wetenschappelijke vooruitgang , Yingli Wang en een team van wetenschappers in biosystemen, engineering en informatiewetenschappen aan de Universiteit van Cambridge en Zhejiang University in het VK en China, presenteerde een draagbare plasmonisch-elektronische sensor met "universele" moleculaire herkenningscapaciteit. Het team introduceerde flexibele plasmonische meta-oppervlakken met oppervlakteversterkte Raman-verstrooiing (SERS) -activiteit als de fundamentele detectiecomponent. Het systeem bevatte een flexibel zweetextractieproces om niet-invasieve analyten en vingerafdrukken in het lichaam te extraheren op basis van hun unieke Raman-verstrooiingsspectra. Als proof-of-concept, ze volgden met succes verschillende hoeveelheden sporen-drug in het lichaam om een ​​individueel metabool profiel van het medicijn te verkrijgen. De sensor overbrugde de kloof in draagbare detectietechnologie om een ​​universele, gevoelig moleculair volgproces om de menselijke gezondheid te beoordelen.

Draagbare sensortechnologie

Wang et al. presenteerde een draagbaar plasmonisch elektronisch geïntegreerd detectieplatform met een bijna "universeel" herkenningsvermogen. Wearable sensing legt een link naar de toekomst van gepersonaliseerde geneeskunde, maar dergelijke sensoren moeten een fundamentele mismatch tussen een stijf en zacht elastisch oppervlak overwinnen om te lamineren in bio-interfaces zoals de huid, oog, zenuw en tand om de menselijke gezondheid naadloos te beoordelen. Met de apparaten kunnen onderzoekers continu vitale functies beoordelen, waaronder de hartslag en lichaamstemperatuur, zweten en lichamelijke activiteiten. Ondanks het succes van fysieke draagbare sensoren, niet-invasieve technieken voor het volgen van moleculen die inzicht verschaffen in de dynamiek van het menselijk lichaam op moleculair niveau moeten nog worden gerealiseerd. Deze mogelijkheden zijn essentieel voor gepersonaliseerde precisiegeneeskunde. Op dit moment, Wang et al. gericht op het ontwikkelen van een nieuwe strategie met universele doelspecificiteit in plaats van één doel alleen te hebben om tegelijkertijd meerdere doelen te volgen. Het team ontwikkelde een nieuw platform met behulp van een flexibel oppervlakte-verbeterd Raman-spectroscopie (SERS)-actief plasmonisch meta-oppervlak om te dienen als de belangrijkste detectiecomponent en een flexibel elektronisch systeem om automatisch zweet en analyten uit het lichaam te extraheren.

Het team nam vingerafdrukken van het unieke SERS-spectrum met behulp van de draagbare sensor. Als proof-of-concept, ze detecteerden de variatie van medicijnconcentraties in het menselijk lichaam om het metabolische profiel van een individu te verkrijgen. De geïntegreerde draagbare sensor overbrugde de bestaande kloof in gepersonaliseerde diagnose voor realtime tracking van belangrijke biochemische verbindingen. De wetenschappers gebruikten het detectieplatform om fysiologische signalen of medicijnconcentraties in het menselijk lichaam te volgen om het metabolische profiel van een individu te verkrijgen. Vervolgens met behulp van de geïntegreerde draagbare sensor, ze bewaakten fysiologische aanwijzingen of medicijnconcentraties in een gesloten-lussysteem voor medicijnafgifte met feedback.

Het met plasmonische metamateriaal geïntegreerde draagbare detectieapparaat bevatte twee hoofdcomponenten, waaronder een dunne laag hydrogel geladen met moleculen om de afscheiding van zweetklieren te stimuleren. Het team bevestigde deze constructies aan twee spiraalvormige fractal mesh-elektroden om te dienen als de zweetextractiecomponent. Wang et al. gebruikte het iontoforeseproces (transdermale medicijnafgifte) voor deze extractie; op grote schaal gebruikt als een niet-invasieve methode voor het nemen van zweetmonsters in apparaten voor diagnostische en therapeutische doeleinden. Ze vormden een plasmonische metafilm met behulp van een geordend zilveren nanokubus-superrooster om te dienen als de sensorcomponent die in de experimentele opstelling was gemonteerd. De sterke elektromagnetische velden gelokaliseerd in de nanokubus gaven aanleiding tot het SERS-effect (surface-enhanced Raman scattering) om moleculen te detecteren die het metafilmoppervlak naderen. Ze plaatsten de twee componenten op een dunne polymeerfilm met ultralage modulus om een ​​dunne, ademende en fysiek sterke ondersteuning voor niet-irriterende huidhechting. Met behulp van de elektroden, het team paste een milde elektrische stroom toe om acetylcholinechloride in de hydrogellaag af te geven aan secretoire zweetklieren voor snelle, gelokaliseerde zweetgeneratie.

De sensor van het draagbare apparaat was afhankelijk van het SERS-effect dat werd gegenereerd door de bestelde zilveren nanocube superlattice-metafilm, op basis waarvan het team het doelwit van interesse in geëxtraheerd zweet heeft gedetecteerd. Aanvankelijk, ze assembleerden een enkele laag van de gesloten verpakte nanocube-array op het vloeistof / lucht-interface en transformeerden het construct vervolgens in een dunne flexibele polymeerdrager. De wetenschappers verifieerden vervolgens de gemiddelde spleetgrootte tussen de nanokubussen met behulp van hoge-resolutie transmissie-elektronenmicroscopie (TEM) -beelden en voerden numerieke simulaties uit in het tijdsdomein (FDTD) met een eindig verschil. De mechanische compliantie en het huidcontact van de metafilm maakten high-fidelity-metingen mogelijk. Het team ontwikkelde vervolgens de SERS-film en bracht deze over op een hydrogel geladen met een agonist die was bevestigd aan fractale mesh-elektroden. Ze gebruikten een ultradun spiraalvormig ontwerp om de tolerantie van het zweetopwekkende systeem voor mechanische vervormingen te vergroten en bereikten dit door een "interconnected island"-ontwerpfase te ontwikkelen om een ​​brosse SERS-film te vormen met een zacht en elastisch elektronisch systeem. Het team bevestigde de duurzaamheid van de elektronica na 100 testcycli, zonder enige waarneembare signaalverslechtering om perfect te voldoen aan de taken die vereist zijn voor een draagbare sensor.

Biologische detectietoepassing

Wang et al. vervolgens werden gezonde vrijwilligers geworven voor in vivo (fysiologische) metingen om de zweetextractiecapaciteit van het apparaat aan te tonen. De wetenschappers gebruikten nicotine als het modelgeneesmiddel en volgden de werkelijke concentratie van het medicijn in de huid ten opzichte van de medicijnafgifte, opname en stofwisseling per persoon. Tijdens de experimenten gebruikten ze een draagbare SERS-sensor gekoppeld aan een compacte voeding en draadloze controle-eenheid op de onderarm van de vrijwilligers. Het apparaat toonde het SERS-spectrum van nicotine in het zweet om overeen te komen met het spectrum van de nicotinestandaard. De resultaten gaven aan hoe de sensor het metabolische gedrag van nicotine trainde om de draagbare sensor in staat te stellen de dynamische farmacokinetiek van medicijnen en hun metabolische profiel te volgen. de voeler, echter, alleen effectief gedetecteerde doelen die zijn opgeslagen in de ondiepe subepidermis; daarom, de onderzoekers zullen tijdens verdere studies moeten begrijpen hoe deze waarde correleert met medicijnconcentraties in bloed of interstitiële vloeistof.

Outlook

Op deze manier, Yingli Wang en collega's toonden een draagbare plasmonisch-elektronische geïntegreerde sensor als een draagbaar apparaat van de volgende generatie. In vergelijking met bestaande draagbare elektrochemische sensoren, deze sensor vertoonde een bredere doelspecificiteit en een hogere stabiliteit. Het geïntegreerde apparaat overbrugde de bestaande kloof in gepersonaliseerde diagnose en precisiegeneeskunde om belangrijke moleculen in het lichaam in realtime te volgen. Het team stelde toepassingen voor om fysiologische signalen en medicijnconcentraties te monitoren in een gesloten feedbacksysteem voor medicijnafgifte en verwacht dat de draagbare sensor een reeks multidisciplinaire toepassingen zal inspireren.

© 2021 Science X Network