Bærbare biosensorer kan bane vejen for personlig sundhed og velvære

omfangsrig, summende og bippende hospitalsstuer viser, at overvågning af en patients helbredstilstand er en invasiv og ubehagelig proces, i bedste fald, og en farlig proces, i værste fald. Penn State-forskere ønsker at ændre det og lave biosensorer, der kan gøre sundhedsovervågning mindre omfangsrig, mere præcis – og meget sikrere.

Nøglen ville være at lave sensorer, der er så strækbare og fleksible, at de nemt kan integreres med den menneskelige krops kompleks, skiftende konturer, sagde Larry Cheng, Dorothy Quiggle-professor i ingeniørvidenskab og en tilknyttet Institut for Computational and Data Sciences. Hans laboratorium gør fremskridt med at designe sensorer, der kan gøre netop det.

Hvis biosensorer, der både er energieffektive og strækbare, kan opnås i skala, forskerne foreslår, at ingeniører kan forfølge — og, i nogle tilfælde, forfølger allerede - en række muligheder for sensorer, der kan bæres på kroppen, eller endda placeret inde i kroppen. Udbetalingen ville være smartere, mere effektiv og mere personlig medicinsk behandling og forbedret sundhedsbeslutningstagning - uden en masse omfangsrig, summende og bippende stykker overvågningsudstyr.

Nogle af de ideer, som forskere ved Penn State og rundt om i verden undersøger, omfatter strækbare tekstiler, der kan inkorporere biosensorer. Papirbaserede sensorer kan også potentielt bruges til at skabe smarte bandager, der kan overvåge status for sår. Midlertidige tatoveringer kunne endda inkorporere biosensorer til sundhedsovervågning. For eksempel, en biosensor-aktiveret tatovering kunne give diabetespatienter øjeblikkelige skøn over deres glukoseniveauer.

Forskerne udgav for nylig deres analyse af den seneste udvikling inden for fleksible og strækbare biosensorer.

Mere regnekraft

En antenne, der kan transmittere data, er nøgleelementet for disse biosensorideer, sagde Cheng, som også er medlem af Materials Research Institute i Penn State. Men det kan ikke være en almindelig antenne. En antenne i den menneskelige krop ville kræve, at den ikke bare er holdbar, modstå kroppens ekstreme forhold, men det skal også være strækbart, så det kan passe til konturerne af forskellige organer og væv i kroppen.

At skabe disse strækbare antenner kræver komplekse beregninger for at modellere alle de forskellige variationer, som sensorernes design kan tage for at bestemme de bedste designs. Og det betyder, at designprocessen alene kræver masser af regnekraft, han tilføjede.

"Vi udforsker en masse forskellige mønstre og designs, når vi undersøger disse ideer, men dette kan skabe flere parametre, " Cheng sagde. "Dette kan blive et problem, fordi det er svært at finde det rigtige design med alle de forskellige parametre. Det er derfor, vi har brug for mere regnekraft – Denne ekstra beregningskraft kan hjælpe os med at lege med de forskellige parametre og finde ud af effekten af ​​hver enkelt. Så kan vi finde ud af, hvordan vi optimerer dem."

Holdet ønsker også at se, hvordan mekaniske og elektromagnetiske egenskaber ændres, efterhånden som enheden ændrer form.

"Vi er nødt til at udnytte de beregningsmæssige ressourcer til at designe denne effektive antenne, der kan strækkes, men, vigtigere, med denne strækbare antenne, vi kan gøre mange ting, for hvis vi ønsker at finde det sted, hvor disse sensorer transmitterer data, denne antenne er nøgleelementet, som du ikke kan komme uden om, " han sagde.

Og bare mere kraft

Det næste trin er at finde måder at drive sensorerne på. De nuværende batterier kan være for store og stive til at drive en sensor, der kan fungere på eller i en menneskekrop, sagde Cheng. Hans laboratorium undersøger nu nye måder at drive biosensorer på.

Selvom vi måske tror, ​​at vi skal tilslutte sensoren til en energikilde, Cheng sagde, at vi faktisk er omgivet af naturlige og menneskeskabte energikilder, kaldet omgivende energi.

"Vores arbejde nu er også fokuseret på at høste den omgivende energi, som kan omfatte Wi-Fi - 3-G, 4-G eller 5-G, eller endda mikrobølgekilder, " sagde Cheng. "Med omgivende energi, den er altid tændt, uanset om du bruger det eller ej, det er der. Selv når du går i seng, det er der. Hvis vi ikke høster den energi, det bliver bare spildt."

Forskernes design kræver en strækbar ensretterantenne, eller rektenna, der kan omdanne elektromagnetisk energi til jævnstrøm. Cheng sagde, at det måske kunne drive enheden, eller oplad et batteri som strømkilde.

Fordi enheden har adgang til et bredere udvalg af tilgængelig energi, de første resultater viser, at forskernes design er omkring 10 til 100 gange bedre end eksisterende modeller.

"Hvis vi kun høstede energien ved en enkelt frekvens, det vil, selvfølgelig, minimere mængden af ​​energi, vi kan bruge, men ved at høste energien over et bredt bånd omkring enheden, det vil forværre effektiviteten, " sagde Cheng.

Fremtidige retninger:Pop-ups og organoider

I fremtiden, Cheng sagde, at hans team vil fortsætte med at arbejde på biosensorer, men de undersøger også den potentielle integration af biosensorer med organoider, som er menneskelige kultur, organspecifikke væv designet til at efterligne naturlige organers funktion. Cheng sagde, at organoider kunne bruges til medicinske tests.

"Dyreforsøg bruges ret ofte i medicinsk forskning, men test i organoider ville give os en meget mere etisk mulighed, " han sagde.

Cheng tilføjede, at design af materialer, der kan antage tredimensionelle former, er endnu et område for fremtidig forskningsudforskning for gruppen. Disse "pop-up" designs kunne indsættes i et målområde som en flad overflade, men forvandles derefter til en 3D-form. Disse kan bruges i fremtidige applikationer inden for sundheds- og medicinske områder, blandt andre.