Em um estudo recente publicado na Science Advances , pesquisadores do Instituto de Tecnologia da Califórnia, liderados pelo Dr. Wei Gao, desenvolveram uma pele eletrônica epifluídica impressa em 3D alimentada por aprendizado de máquina (ML) para vigilância de saúde multimodal. Esta plataforma vestível permite o monitoramento físico e químico em tempo real do estado de saúde.



Os dispositivos de saúde vestíveis têm o potencial de revolucionar o mundo médico, oferecendo rastreamento em tempo real, tratamentos personalizados e diagnóstico precoce de doenças.

No entanto, um dos principais desafios destes dispositivos é que eles não rastreiam dados a nível molecular e a sua fabricação é um desafio. Dr. Gao explicou por que isso serviu de motivação para sua equipe.

"Atualmente, há um interesse crescente de pesquisa em cuidados de saúde personalizados para revolucionar as práticas médicas tradicionais. Para superar esses desafios, empregamos nossa tecnologia de impressão 3D para criar componentes essenciais, como sensores físicos, sensores químicos, microfluídicos e supercapacitores, para nossos wearables. plataforma", disse o Dr. Gao ao Phys.org.

Dr. Gao e sua equipe fizeram exatamente isso ao realizar a produção em massa de uma plataforma vestível chamada e ³ -pele, que é impressa em 3D em materiais personalizados.

e ³ -skin:Uma pele eletrônica epifluídica impressa em 3D

O nome e ³ -pele é derivada de “pele eletrônica elástica epifluídica”. É um sistema vestível impresso em 3D que monitora continuamente vários parâmetros fisiológicos e prevê respostas comportamentais.

Dr. Gao explicou os vários componentes do e ³ -skin, dizendo:"Todos os principais componentes da plataforma vestível, incluindo sensores físicos, sensores químicos, microfluídicos e micro-supercapacitores de armazenamento de energia, podem ser facilmente preparados por meio de impressão 3D por extrusão de vários materiais funcionais."

O que define o e ³ À parte da pele estão os sensores bioquímicos impressos em 3D e o sistema microfluídico. A integração da tecnologia de impressão 3D é um aspecto fundamental do e ³ -criação da pele.

A impressão 3D oferece precisão e personalização, permitindo aos pesquisadores projetar e fabricar componentes essenciais com precisão. Isso simplificou a produção e permitiu a integração de estruturas e materiais complexos, incluindo sensores bioquímicos impressos em 3D e microfluídica.

Dr. Gao elaborou ainda:"Sensores bioquímicos vestíveis podem fornecer informações cruciais sobre saúde em níveis moleculares. Quando acoplados a sensores biofísicos, eles podem fornecer informações mais abrangentes sobre nosso estado de saúde".

Além disso, o uso da microfluídica, a ciência da manipulação e controle de pequenas quantidades de fluidos dentro de pequenos canais ou dispositivos, ajudou-os a analisar os biomarcadores no suor humano. A microfluídica pode induzir o suor automaticamente por meio da iontoforese, coletá-lo sem a necessidade de atividades extenuantes, minimizar a evaporação do suor e facilitar a análise bioquímica em tempo real com amostras de suor fresco.

Tecnologia médica vestível assistida por ML

O e ³ As capacidades do -skin vão além de seus componentes de hardware. Integra algoritmos de ML, que desempenham um papel fundamental em sua funcionalidade. Mas antes de nos aprofundarmos no ML, é essencial entender o material notável que compõe o e ³ -pele possível:MXene.

MXene, uma família de materiais 2D, é um material versátil conhecido por suas propriedades únicas. Ti aquoso₃ C₂ T_x (MXene) serviu como tinta para imprimir em 3D as interconexões e sensores biofísicos no e ³ -pele.

A equipe usou o MXene para resolver uma limitação dos sistemas vestíveis atuais. Nas palavras do Dr. Gao, “a maioria dos sistemas vestíveis atuais depende de baterias, que são rígidas, volumosas e insuficientes, necessitando de substituição frequente”.

Para resolver esta limitação, o e ³ -skin integra uma célula solar, coletando energia da luz ambiente e armazenando-a com eficiência em microssupercapacitores baseados em MXene impressos em 3D. Esta inovação permite uma operação sustentável e sem bateria para monitoramento da saúde a longo prazo durante as atividades diárias.

As nanofolhas MXene possuem propriedades como superfícies carregadas negativamente e hidrofilicidade, que lhes permitem dispersar e permanecer estáveis ​​na água. Isso permite uma impressão precisa, com os filamentos MXene com larguras de linha ajustáveis ​​e a capacidade de aderir a substratos flexíveis, como a pele humana.

Dr. Gao enfatizou ainda:"Os filamentos MXene impressos podem formar matrizes uniformes com padrões intrincados, permitindo a criação de estruturas complexas dentro do e ³ -pele."

A versatilidade do MXene se estende à detecção de temperatura, com sensores exibindo um coeficiente de temperatura negativo e estabilidade ao desgaste.

Para monitoramento de pulso, o MXene, em combinação com nanotubos de carbono, forma sensores com designs de espuma personalizáveis, garantindo alta sensibilidade e durabilidade. Notavelmente, isso permite o monitoramento confiável do pulso radial em seres humanos.

Além disso, o e ³ -as capacidades da pele estendem-se à previsão de respostas comportamentais ao consumo de álcool, o que eles demonstraram. Dr. Gao declarou:"No nosso caso, usamos o e ³ -pele para coletar informações sobre o álcool do suor e sinais vitais (como frequência cardíaca e temperatura da pele), fornecendo informações mais abrangentes sobre as respostas comportamentais."

O ML analisa esses dados para prever o tempo de resposta e o grau de comprometimento de um indivíduo. O álcool no suor desempenha um papel fundamental na previsão do tempo de resposta, enquanto a frequência cardíaca complementa o álcool no suor para uma previsão mais precisa do comprometimento.

O futuro dos wearables

e ³ -skin mostra-se muito promissor, colhendo o melhor em ML, materiais e medicamentos. "e ³ -skin oferece oportunidades interessantes para o avanço de biossensores vestíveis em aplicações práticas nos cuidados de saúde modernos", destacou o Dr. Gao.

Com a monitorização contínua de biomarcadores vitais e a extensa recolha de dados, tem o potencial de prever deficiências cognitivas e comportamentais e monitorizar vários aspectos da saúde.

Os dados coletados pelo e ³ -a pele poderia melhorar os cuidados de saúde personalizados, permitindo um alerta precoce, um diagnóstico precoce e uma intervenção atempada para maximizar os resultados de saúde.

Gao concluiu afirmando:"Os grandes conjuntos de dados coletados por esses dispositivos vestíveis multimodais em atividades diárias, juntamente com algoritmos modernos de ML, podem extrair a relação subjacente do nível de biomarcadores com condições de saúde complexas.

“Assim, promete remodelar o campo do monitoramento de saúde vestível e capacitar cuidados de saúde personalizados baseados em dados”.

Mais informações: Yu Song et al, pele eletrônica epifluídica impressa em 3D para vigilância de saúde multimodal baseada em aprendizado de máquina, Science Advances (2023). DOI:10.1126/sciadv.adi6492
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