Detección de la piel más fácil: métodos mejorados facilitan el control del movimiento corporal y la salud
Los científicos han desarrollado métodos mejorados para fabricar sensores de presión inspirados en la epidermis. Estos sensores tienen una amplia sensibilidad a los movimientos del cuerpo, desde la flexión de las articulaciones y los músculos hasta la frecuencia del pulso. Crédito: Instituto Terasaki para la Innovación Biomédica
Desde amplios movimientos corporales tan diminutos como un pulso hasta los diversos movimientos de articulaciones, músculos y extremidades, los sensores de presión portátiles colocados directamente sobre la piel se pueden usar de innumerables formas para monitorear la salud. Otros tipos de sensores para la piel pueden monitorear los indicadores de salud a través de la medición del sudor y la temperatura en la superficie de la piel.
Estas capacidades se traducen en aplicaciones médicas útiles, como el control de enfermedades de control motor como la enfermedad de Parkinson, la evaluación de movimientos en atletas o el control de parámetros físicos o incluso emocionales a través de mediciones de la humedad de la piel. Otros ejemplos de dispositivos de detección de la piel que cambian el juego incluyen sensores de piel para controlar los niveles de estrés en niños autistas (que tienen problemas con la expresión emocional) y sensores táctiles que pueden ayudar a los pacientes a recuperar las habilidades motoras después de un accidente cerebrovascular.
Los dispositivos portátiles sensibles a la piel para aplicaciones de detección de presión deben tener sensores electrónicos que localicen y detecten una amplia gama de cambios de presión obtenidos por contacto con la piel humana. También deben poder traducir estos cambios de presión en una señal detectable utilizando un material conductor de electricidad.
Los sensores generalmente se componen de una capa de sustrato elástica que se coloca sobre la piel y se mueve en respuesta a los cambios de presión. acompañando el movimiento del cuerpo. Estos cambios se traducen en señales que pueden detectarse mediante una capa de material conductor colocada en estrecho contacto con el sustrato.
Entre los diferentes tipos de sensores de presión disponibles, el sensor piezorresistivo (PS) es el más utilizado. Estos sensores de material conductor usan el cambio en la resistencia eléctrica cuando se estiran para medir los cambios de presión.
Para maximizar el rango de sensibilidad de estos sensores, se han incorporado previamente varias microestructuras; sin embargo, estos a menudo implican procedimientos de fabricación complejos y materiales conductores costosos. Los nanocables de cobre son una opción de bajo costo y exhiben propiedades eléctricas, térmicas y ópticas superiores. Sin embargo, están sujetos a daños por corrosión en condiciones ambientales.
Un equipo de colaboración del Instituto Terasaki para la Innovación Biomédica (TIBI) ha diseñado un método de fabricación de PS simple y escalable que ha resuelto el problema de los nanocables de cobre. durabilidad, al mismo tiempo que cumple con los requisitos de sensibilidad de amplio rango de un sensor de presión.
El equipo primero desarrolló un método basado en soluciones para recubrir nanocables de cobre con óxido de grafeno (GO); Las pruebas de validación confirmaron que este método impartía una capa de GO uniforme y fuertemente adherida a los nanocables, que los protegía eficazmente contra la corrosión sin sacrificar sus propiedades conductoras. Además, el método permitió la variación del grosor del revestimiento de GO ajustando el tiempo de reacción o la cantidad de GO añadida.
A continuación, el equipo consideró la microestructura del sustrato del sensor para maximizar su rango de sensibilidad. Observaron la estructura de los receptores de presión llamados discos de Merkel en la interfaz dermoepidérmica de la piel humana; estos receptores de presión juegan un papel importante en la sensibilidad al tacto. Notaron que la superficie texturizada de esta capa, con sus orificios, crestas interconectadas y asperezas aleatorias se asemejaba a la superficie del papel de lija.
Esto los inspiró a idear un método para moldear una capa de sustrato polimérico elástico en una lámina. de papel de lija para imprimir la textura rugosa del papel de lija en la superficie del sustrato. Luego, el sustrato se trató químicamente para mejorar su unión a los nanocables. A continuación, se roció una suspensión de nanocables de cobre recubiertos con GO sobre el sustrato y se trató térmicamente para reducir químicamente o disminuir el estado de oxidación del GO para fortalecer la adhesión entre las capas.
«Nuestras soluciones basado en un método para recubrir de forma protectora los nanocables de cobre ofrece una forma simple, escalable y ajustable de protegerse contra la corrosión de los nanocables», dijo el autor principal, Yangzhi Zhu, Ph.D. «Y nuestras técnicas de moldeo y revestimiento por pulverización para la fabricación de sensores permiten un enfoque más escalable, de alto rendimiento y modular».
Se realizaron experimentos mecánicos con nanocables de cobre revestidos con GO reducido (CurGONW) PS, con varias compresiones niveles de estrés y tasas probadas. Debido a la elasticidad y los rápidos tiempos de respuesta del sensor, exhibió mediciones de resistencia estables en general mantenidas durante 1000 ciclos de estrés.
Los experimentos posteriores demostraron que la sensibilidad se podía ajustar variando las concentraciones de nanocables y la rugosidad del papel de lija; estas pruebas también revelaron límites superiores para la rugosidad del papel de lija y niveles óptimos de rango medio de concentraciones de nanocables.
Además, CurGONW PS produjo mediciones de resistencia estables y rangos de sensibilidad comparables a los sensores de presión disponibles actualmente. También exhibió una transparencia superior (deseada para sensores portátiles) y requirió cantidades más pequeñas de óxido de grafeno reducido que las producidas con metodologías a granel anteriores.
Los experimentos finales se llevaron a cabo en sujetos humanos para varios movimientos corporales sensibles a la piel; estos incluían la flexión de los dedos, las muñecas, los bíceps y las rodillas, así como la torsión del cuello y los movimientos al caminar. También se tomaron medidas del pulso carotídeo, la deglución y la pulsación y golpeteo de los dedos. Todas las mediciones fueron claramente detectables, con una deriva mínima y niveles comparables a los resultados informados obtenidos de experimentos independientes anteriores y dispositivos comerciales.
En resumen, el equipo de TIBI ha fabricado un sensor de presión piezorresistivo efectivo usando un sensor simple y de bajo costo. , escalables, ajustables y métodos modulares. Debido a la nueva microestructura inspirada en la piel de su capa de sustrato, el sensor pudo medir una amplia gama de señales de presión con precisión y alta sensibilidad.
«Los avances realizados por nuestros científicos abordan algunos de los desafíos en costos, producción y efectividad en detección de piel portátil», dijo Ali Khademhosseini, Ph.D., Director y CEO de TIBI. «El impacto de estas mejoras se puede traducir de diversas maneras a muchas aplicaciones biomédicas y comerciales».
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El avance del sensor de presión suave resuelve el cuello de botella más desafiante del campo Más información: Yangzhi Zhu et al, EpidermisInspired Wearable Piezoresistive Pressure Sensors Using Graphene Oxide SelfWrapped Copper Nanowire Networks, Small Methods ( 2021). DOI: 10.1002/smtd.202100900 Proporcionado por Terasaki Institute for Biomedical Innovation Cita: Detección de la piel más fácil: métodos mejorados facilitan el control del movimiento corporal y la salud (2021, 15 de diciembre) consultado el 29 de agosto de 2022 en https: //medicalxpress.com/news/2021-12-skin-easier-methods-body-movement.html Este documento está sujeto a derechos de autor. Aparte de cualquier trato justo con fines de estudio o investigación privados, ninguna parte puede reproducirse sin el permiso por escrito. El contenido se proporciona únicamente con fines informativos.