Gli scienziati sviluppano pelle elettronica epifluidica stampata in 3D

28 settembre 2023 caratteristica

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di Tejasri Gururaj, Phys.org

In uno studio recente pubblicato su Science Advances, i ricercatori del California Institute of Technology, guidati dal Dott. Wei Gao, hanno sviluppato una pelle elettronica epifluidica stampata in 3D per la sorveglianza multimodale della salute, basata sull'apprendimento automatico (ML). Questa piattaforma indossabile consente il monitoraggio fisico e chimico in tempo reale dello stato di salute.

Dispositivi di salute indossabili hanno il potenziale per rivoluzionare il mondo medico, offrendo tracciamento in tempo reale, trattamenti personalizzati e diagnosi precoce delle malattie. Tuttavia, una delle principali sfide di questi dispositivi è che non monitorano i dati a livello molecolare e la loro fabbricazione è difficile. Il Dott. Gao ha spiegato perché questo ha rappresentato una motivazione per il loro team. "Oggi c'è un crescente interesse nella ricerca di cure personalizzate per rivoluzionare le pratiche mediche tradizionali. Per superare queste sfide, utilizziamo la nostra tecnologia di stampa 3D per creare componenti essenziali, come sensori fisici, sensori chimici, microfluidica e supercondensatori, per la nostra piattaforma indossabile", ha detto il Dott. Gao a Phys.org.

Il Dott. Gao e il suo team hanno fatto esattamente questo realizzando la produzione di massa di una piattaforma indossabile chiamata e3-skin, stampata in 3D su materiali personalizzati.

e3-skin: una pelle elettronica epifluidica stampata in 3D

Il nome e3-skin deriva da "epifluidic elastic electronic skin". Si tratta di un sistema indossabile stampato in 3D che monitora continuamente vari parametri fisiologici e predice le risposte comportamentali.

Il Dott. Gao ha spiegato i vari componenti di e3-skin, dicendo: "Tutti i principali componenti della piattaforma indossabile, inclusi i sensori fisici, i sensori chimici, la microfluidica e i microsupercondensatori per lo stoccaggio dell'energia, possono essere facilmente preparati tramite stampa 3D a estrusione di vari materiali funzionali".

Ciò che differenzia l'e3-skin sono i sensori biochimici stampati in 3D e il sistema di microfluidica. L'integrazione della tecnologia di stampa 3D è un aspetto fondamentale della creazione dell'e3-skin.

La stampa 3D offre precisione e personalizzazione, consentendo ai ricercatori di progettare e produrre componenti essenziali con precisione. Questa produzione semplificata ha permesso l'integrazione di strutture e materiali complessi, inclusi i sensori biochimici stampati in 3D e la microfluidica.

Il Dott. Gao ha approfondito: "I sensori biochimici indossabili potrebbero fornire informazioni cruciali sulla salute a livello molecolare. Associati a sensori biologici, possono fornire informazioni più complete sul nostro stato di salute".

Inoltre, l'uso della microfluidica, la scienza della manipolazione e del controllo di piccole quantità di liquidi all'interno di canali o dispositivi, li ha aiutati ad analizzare i biomarcatori nel sudore umano. La microfluidica può indurre automaticamente la sudorazione attraverso l'iontoforesi, raccoglierla senza la necessità di attività strenue, minimizzare l'evaporazione del sudore e facilitare l'analisi biochimica in tempo reale con campioni di sudore fresco.

Le capacità dell'e3-skin vanno oltre i suoi componenti hardware. Integra algoritmi di apprendimento automatico, che svolgono un ruolo fondamentale nella sua funzionalità. Ma prima di approfondire l'apprendimento automatico, è essenziale capire il notevole materiale che rende possibile l'e3-skin: il MXene.

Il MXene, una famiglia di materiali bidimensionali, è un materiale versatile noto per le sue proprietà uniche. L'acquosa Ti3C2Tx (MXene) è stata utilizzata come inchiostro per stampare in 3D gli interconnettori e i sensori biologici nell'e3-skin.

Il team ha utilizzato il MXene per affrontare una limitazione dei sistemi indossabili attuali. Nelle parole del Dott. Gao: "La maggior parte dei sistemi indossabili attuali si basa su batterie, che sono rigide, ingombranti e insufficienti, rendendo necessaria una sostituzione frequente".

Per affrontare questa limitazione, l'e3-skin integra una cella solare, che sfrutta l'energia della luce ambiente e la immagazzina efficientemente in microsupercondensatori a base di MXene stampati in 3D. Questa innovazione consente un'operazione sostenibile senza batteria per il monitoraggio a lungo termine della salute durante le attività quotidiane.

Le nanolamelle di MXene possiedono proprietà come superfici cariche negativamente e idrofilia, che consentono loro di disperdersi e rimanere stabili in acqua. Ciò consente una stampa precisa, con filamenti di MXene che hanno larghezze di linea regolabili e la capacità di aderire a substrati flessibili, come la pelle umana.

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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