Los científicos desarrollan una piel electrónica epifluida fabricada mediante impresión 3D.

28 de septiembre de 2023 característica

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por Tejasri Gururaj, Phys.org

En un estudio reciente publicado en Science Advances, investigadores del Instituto de Tecnología de California, liderados por el Dr. Wei Gao, han desarrollado una piel electrónica epifluida 3D impresa con aprendizaje automático (ML) para vigilancia de la salud multimodal. Esta plataforma portátil permite el monitoreo físico y químico en tiempo real del estado de salud.                                                   

Los dispositivos de salud portátiles tienen el potencial de revolucionar el mundo médico, ofreciendo seguimiento en tiempo real, tratamientos personalizados y diagnóstico temprano de enfermedades.

Sin embargo, uno de los principales desafíos de estos dispositivos es que no rastrean los datos a nivel molecular y su fabricación es complicada. El Dr. Gao explicó por qué esto sirvió como motivación para su equipo.

'Hoy en día, hay un interés creciente en la investigación de la atención médica personalizada para revolucionar las prácticas médicas tradicionales. Para superar estos desafíos, utilizamos nuestra tecnología de impresión en 3D para crear componentes esenciales, como sensores físicos, sensores químicos, microfluídica y supercondensadores, para nuestra plataforma portátil', dijo el Dr. Gao a Phys.org.

El Dr. Gao y su equipo han logrado precisamente eso al realizar la producción en masa de una plataforma portátil llamada e3-skin, que se imprime en 3D en materiales personalizados.

e3-skin: una piel electrónica epifluida impresa en 3D

El nombre e3-skin se deriva de "piel electrónica elástica epifluida". Es un sistema portátil impreso en 3D que monitorea continuamente varios parámetros fisiológicos y predice respuestas conductuales.

El Dr. Gao explicó los distintos componentes de la e3-skin, diciendo: 'Todos los componentes principales de la plataforma portátil, incluidos sensores físicos, sensores químicos, microfluídica y micro-supercondensadores de almacenamiento de energía, se pueden preparar fácilmente mediante la impresión en 3D de varios materiales funcionales'.

Lo que distingue a la e3-skin son los sensores bioquímicos impresos en 3D y el sistema de microfluídica. La integración de la tecnología de impresión en 3D es un aspecto fundamental de la creación de la e3-skin.

La impresión en 3D ofrece precisión y personalización, lo que permite a los investigadores diseñar y fabricar componentes esenciales de manera precisa. Esta producción simplificada permitió la integración de estructuras y materiales complejos, incluidos los sensores bioquímicos impresos en 3D y la microfluídica.

El Dr. Gao profundizó aún más: 'Los sensores bioquímicos portátiles podrían proporcionar información de salud crucial a nivel molecular. Cuando se combinan con sensores biofísicos, pueden proporcionar información más completa sobre nuestro estado de salud'.

Además, el uso de la microfluídica, la ciencia de manipular y controlar pequeñas cantidades de fluidos en canales o dispositivos pequeños, les ha ayudado a analizar los biomarcadores en el sudor humano. La microfluídica puede inducir la generación de sudor automáticamente a través de la iontoforesis, recogerlo sin necesidad de actividad intensa, minimizar la evaporación del sudor y facilitar el análisis bioquímico en tiempo real con muestras de sudor fresco.

Las capacidades de la e3-skin van más allá de sus componentes de hardware. Integra algoritmos de ML, que desempeñan un papel fundamental en su funcionalidad. Pero antes de profundizar en el ML, es esencial comprender el material notable que hace posible la e3-skin: MXene.

MXene, una familia de materiales 2D, es un material versátil conocido por sus propiedades únicas. El Ti3C2Tx acuoso (MXene) se utilizó como tinta para imprimir en 3D las conexiones y los sensores biofísicos en la e3-skin.

El equipo utilizó el MXene para abordar una limitación de los sistemas portátiles actuales. En palabras del Dr. Gao, 'La mayoría de los sistemas portátiles actuales dependen de baterías, que son rígidas, voluminosas e insuficientes, lo que requiere reemplazos frecuentes'.

Para abordar esta limitación, la e3-skin integra una célula solar, que aprovecha la energía de la luz ambiente y la almacena de manera eficiente en micro-supercapacitores basados en MXene impresos en 3D. Esta innovación permite una operación sostenible sin batería para el monitoreo de la salud a largo plazo durante las actividades diarias.

Las láminas nano de MXene poseen propiedades como superficies cargadas negativamente e hidrofilia, lo que les permite dispersarse y permanecer estables en agua. Esto permite una impresión precisa, con filamentos de MXene que tienen anchos de línea ajustables y la capacidad de adherirse a sustratos flexibles, como la piel humana.

Dr. Gao further emphasized, 'The printed MXene filaments can form uniform arrays with intricate patterns, enabling the creation of complex structures within the e3-skin.'

MXene's versatility extends to temperature sensing, with sensors exhibiting a negative temperature coefficient and wear stability.

For pulse monitoring, MXene, in combination with carbon nanotubes, forms sensors with customizable foam designs, ensuring high sensitivity and durability. Notably, this enables reliable radial pulse monitoring on human subjects.

Furthermore, the e3-skin's capabilities extend to predicting behavioral responses to alcohol consumption, which they demonstrated. Dr. Gao stated, 'In our case, we used the e3-skin to collect both sweat alcohol and vital signs (such as heart rate and skin temperature) information, providing more comprehensive insight into behavioral responses.'

ML analyzes this data to predict an individual's response time and degree of impairment. Sweat alcohol plays a pivotal role in predicting response time, while heart rate complements sweat alcohol for more accurate impairment prediction.

e3-skin shows great promise, harvesting the best of ML, materials, and medicine. 'e3-skin provides exciting opportunities to advance wearable biosensors toward practical applications in modern health care,' highlighted Dr. Gao.

With its continuous monitoring of vital biomarkers and extensive data collection, it has the potential to predict cognitive and behavioral impairments and monitor various health aspects.

The data collected by the e3-skin could enhance personalized health care by allowing early warning, early diagnosis, and timely intervention to maximize health outcomes.

Dr. Gao concluded by stating, 'The large sets of data collected by such multimodal wearable devices in daily activities coupled with modern ML algorithms can extract the underlying relationship of the biomarker level with complex health conditions.

'Thereby, it promises to reshape the field of wearable health monitoring and empower data-driven personalized health care.'

Journal information: Science Advances

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