Volumoso, quartos de hospitais com zumbidos e bipes demonstram que monitorar o estado de saúde de um paciente é um processo invasivo e desconfortável, no melhor, e um processo perigoso, na pior das hipóteses. Os pesquisadores da Penn State querem mudar isso e fazer biossensores que podem tornar o monitoramento da saúde menos volumoso, mais preciso - e muito mais seguro.

A chave seria fazer sensores que são tão extensíveis e flexíveis que podem se integrar facilmente com o complexo do corpo humano, mudando contornos, disse Larry Cheng, a Professora Dorothy Quiggle em Engenharia e afiliada do Institute for Computational and Data Sciences. Seu laboratório está progredindo no design de sensores que podem fazer exatamente isso.

Se biossensores que são eficientes em termos de energia e extensíveis podem ser alcançados em escala, os pesquisadores sugerem que os engenheiros podem buscar - e, em alguns casos, já estão buscando - uma gama de opções para sensores que podem ser usados ​​no corpo, ou mesmo colocado dentro do corpo. A recompensa seria mais inteligente, tratamento médico mais eficaz e personalizado e melhor tomada de decisões de saúde - sem muito volume, zumbidos e bipes de equipamentos de monitoramento.

Algumas das ideias que os pesquisadores da Penn State e de todo o mundo estão investigando incluem tecidos elásticos que podem incorporar biossensores. Sensores baseados em papel também podem ser usados ​​para criar bandagens inteligentes que podem monitorar o status de feridas. Tatuagens temporárias podem até incorporar biossensores para monitoramento de saúde. Por exemplo, uma tatuagem com biossensor pode fornecer aos pacientes com diabetes estimativas instantâneas de seus níveis de glicose.

Os pesquisadores divulgaram recentemente sua análise dos últimos desenvolvimentos em biossensores flexíveis e extensíveis.

Mais poder computacional

Uma antena que pode transmitir dados é o elemento-chave para essas idéias de biossensores, disse Cheng, que também é membro do Instituto de Pesquisa de Materiais da Penn State. Mas não pode ser uma antena comum. Uma antena no corpo humano exigiria não apenas ser durável, resistir às condições extremas do corpo, mas também precisa ser extensível, para que possa se ajustar aos contornos de vários órgãos e tecidos do corpo.

A criação dessas antenas extensíveis requer cálculos complexos para modelar todas as diferentes variações que o design dos sensores pode realizar a fim de determinar os melhores designs. E isso significa que o processo de design sozinho requer muito poder computacional, ele adicionou.

"Exploramos muitos padrões e designs diferentes quando investigamos essas ideias, mas isso pode criar mais parâmetros, "Cheng disse." Isso pode se tornar um problema porque é difícil encontrar o projeto certo com todos os parâmetros diferentes. É por isso que precisamos de mais poder computacional - esse poder computacional adicional pode nos ajudar a brincar com os diferentes parâmetros e descobrir o efeito de cada um. Então, podemos descobrir como otimizá-los. "

A equipe também quer ver como as propriedades mecânicas e eletromagnéticas são alteradas conforme o dispositivo muda de forma.

"Precisamos aproveitar os recursos computacionais para projetar esta antena eficiente que pode ser extensível, mas, mais importante, com esta antena extensível, podemos fazer muitas coisas porque se quisermos obter o lugar onde esses sensores estão transmitindo dados, esta antena é o elemento-chave que você não pode contornar, " ele disse.

E simplesmente mais poder

A próxima etapa é encontrar maneiras de alimentar os sensores. As baterias atuais podem ser muito grandes e rígidas para alimentar um sensor que pode operar em um corpo humano, disse Cheng. Seu laboratório agora está investigando novas maneiras de alimentar biossensores.

Embora possamos pensar que temos que conectar o sensor a uma fonte de energia, Cheng disse que, na verdade, estamos cercados por fontes de energia naturais e feitas pelo homem, chamada de energia ambiente.

“Nosso trabalho agora também está focado na captação de energia ambiental, que pode incluir Wi-Fi - o 3-G, 4-G ou 5-G, ou mesmo fontes de microondas, "disse Cheng." Com a energia ambiente, está sempre ligado, não importa se você está usando ou não, Está lá. Mesmo quando você vai dormir, Está lá. Se não colhermos essa energia, é simplesmente desperdiçado. "

O projeto dos pesquisadores exige uma antena retificável extensível, ou retena, que pode converter energia eletromagnética em corrente contínua. Cheng disse que pode ser capaz de alimentar o dispositivo, ou carregue uma bateria como fonte de alimentação.

Como o dispositivo tem acesso a uma gama mais ampla de energia disponível, os resultados iniciais mostram que o design dos pesquisadores é cerca de 10 a 100 vezes melhor do que os modelos existentes.

"Se apenas coletássemos a energia em uma única frequência, será, claro, minimizar a quantidade de energia que podemos usar, mas ao coletar a energia em uma ampla faixa ao redor do dispositivo, vai aumentar a eficiência, "disse Cheng.

Direções futuras:pop-ups e organoides

No futuro, Cheng disse que sua equipe continuará trabalhando em biossensores, mas eles também estão investigando a integração potencial de biossensores com organoides, que são de cultura humana, tecidos específicos de órgãos projetados para imitar a função de órgãos naturais. Cheng disse que os organóides podem ser usados ​​para testes médicos.

"Os testes em animais são usados ​​com bastante frequência em pesquisas médicas, mas o teste em organoides nos daria uma opção muito mais ética, " ele disse.

Cheng acrescentou que projetar materiais que possam assumir formas tridimensionais é outra área de exploração de pesquisas futuras para o grupo. Esses designs "pop-up" podem ser inseridos em uma área de destino como uma superfície plana, mas depois se transforma em uma forma 3-D. Eles podem ser usados ​​em futuras aplicações nas áreas da saúde e da medicina, entre outros.