Forskere skaber bedre materiale til bærbare biosensorer

Biosensorer, der kan bæres på menneskelig hud eller sikkert bruges inde i kroppen, er i stigende grad udbredt til både medicinske anvendelser og daglig sundhedsovervågning. At finde de rigtige materialer til at binde sensorerne sammen og klæbe dem til overflader er også en vigtig del af at gøre denne teknologi bedre. En nylig undersøgelse fra Binghamton University, State University of New York tilbyder en mulig løsning, især til hudapplikationer.

Matthew S. Brown, en fjerde års ph.d. studerende med adjunkt Ahyeon Kohs laboratorium i Institut for Biomedicinsk Teknik, fungerede som hovedforfatter for "Electronic-ECM:A Permeable Microporous Elastomer for an Advanced Bio-Integrated Continuous Sensing Platform, " offentliggjort i tidsskriftet Avanceret materialeteknologi .

Studiet anvender polydimethylsiloxan (PDMS), et silikonemateriale populært til brug i biosensorer på grund af dets biokompatibilitet og bløde mekanik. Det bruges generelt som en solid film, ikke-porøst materiale, hvilket kan føre til problemer med sensorens åndbarhed og svedfordampning.

"I atletisk overvågning, hvis du har en enhed på huden, sved kan samle sig under den enhed, " sagde Brown. "Det kan forårsage betændelse og også unøjagtigheder i kontinuerlige overvågningsapplikationer.

"For eksempel, et eksperiment med elektrokardiogram (EKG) analyse viste, at den porøse PDMS muliggjorde fordampning af sved under træning, i stand til at opretholde et signal i høj opløsning. Den ikke-porøse PDMS gav ikke sveden mulighed for let at fordampe, fører til en lavere signalopløsning efter træning.

Holdet skabte et porøst PDMS-materiale gennem elektrospinning, en produktionsmetode, der fremstiller nanofibre ved brug af elektrisk kraft.

Under mekanisk prøvning, forskerne fandt ud af, at dette nye materiale virkede som kollagen og elastiske fibre i den menneskelige epidermis. Materialet var også i stand til at fungere som et tørt klæbemiddel for elektronikken til at laminere kraftigt på huden, til klæbemiddelfri overvågning. Biokompatibilitet og levedygtighedstest viste også bedre resultater efter syv dages brug, sammenlignet med den ikke-porøse PDMS-film.

"Du kan bruge dette i en lang række applikationer, hvor du har brug for væsker til passivt at overføre gennem materialet - såsom sved - for let at fordampe gennem enheden, " sagde Brown.

Fordi materialets permeable struktur er i stand til biovæske, små molekyler og gasdiffusion, det kan integreres med blødt biologisk væv såsom hud, neuralt og hjertevæv med reduceret inflammation på applikationsstedet.

Blandt de applikationer, som Brown ser, er elektronik til langsigtet helbredelse, kroniske sår; åndbar elektronik til ilt og kuldioxid respiratorisk overvågning; enheder, der integrerer menneskelige celler i implanterbare elektroniske enheder; og realtid, in vitro kemisk og biologisk overvågning.

Koh – hvis nylige projekter omfatter sved-assisteret batteristrøm og biomonitorering – beskrev det porøse PDMS-studie som "en hjørnesten i min forskning."

"Mit laboratorium er meget interesseret i at udvikle et biointegreret sensorsystem ud over bærbar elektronik, sagde hun. I øjeblikket, teknologier har avanceret for at udvikle holdbare og fleksible enheder i løbet af de sidste 10 år. Men vi vil altid gå endnu længere, at skabe sensorer, der kan bruges i mere usynlige systemer, der ikke kun er på huden.

"Koh ser også mulighederne for dette porøse PDMS-materiale i en anden forskningslinje, hun forfølger sammen med lektor Seokheun Choi fra Institut for Elektro- og Computerteknik. Hun og Choi kombinerer deres styrker for at skabe strækbare papirer til blød bioelektronik, gør det muligt for os at overvåge fysiologiske tilstande.