Biosensores orgánicos inspirados en la piel para monitoreo de salud en tiempo real

El avance acelerado de los sistemas de detección y de inteligencia artificial (IA) ha permitido la creación de dispositivos portátiles cada vez más sofisticados, como los rastreadores de actividad y tecnologías que monitorean señales asociadas a enfermedades o condiciones médicas específicas. Muchos de estos dispositivos electrónicos portátiles dependen de biosensores, que son dispositivos capaces de convertir respuestas biológicas en señales eléctricas medibles en tiempo real.

A pesar de que los rastreador de actividad y otros dispositivos electrónicos portátiles son ampliamente utilizados, las señales que muchos de los dispositivos existentes capturan a veces son inexactas o distorsionadas. Esto se debe a que la flexión de los sensores, la humedad y las fluctuaciones de temperatura pueden producir lecturas inexactas y cambios graduales que no están relacionados con la señal medida.

Investigadores de la Universidad de Stanford desarrollaron nuevos biosensores inspirados en la piel, basados en transistores de efecto de campo orgánicos (OFET), dispositivos que utilizan semiconductores orgánicos para controlar el flujo de corriente en la electrónica.

Los nuevos biosensores, presentados en un artículo publicado en Nature Electronics, tienen un diseño único que podría permitir la recolección de grabaciones confiables bajo diversas condiciones ambientales.

"Estamos interesados en desarrollar biosensores químicos portátiles para monitorear biomarcadores importantes en el sudor", comentó el Prof. Zhenan Bao, quien supervisó el estudio, a Tech Xplore.

"Nuestros dispositivos bioelectrónicos orgánicos inspirados en la piel pueden integrarse sin problemas con el cuerpo humano, proporcionando una plataforma ideal para el monitoreo de biomarcadores. Los biosensores blandos actuales sufren de diversos factores externos, como la flexión, la tensión, la humedad y los cambios de temperatura, que causan artefactos y cambios graduales en las lecturas."

El objetivo principal del estudio del equipo fue desarrollar un nuevo biosensor OFET blando y estirable que sea libre de cambios graduales, lo que significa que registra con precisión las señales objetivo independientemente de las perturbaciones ambientales o mecánicas, y que puede adaptarse para monitorear una amplia gama de señales. El nuevo biosensor que desarrollaron tiene un diseño que combina "gemelos" de OFETs estirables.

"Estos dos OFETs estirables están diseñados para tener capas de materiales exactas, dimensiones de canal exactas, y se sitúan muy cerca uno del otro", explicó Chuanzhen Zhao, primer autor del artículo y becario postdoctoral en la Universidad de Stanford.

"Por lo tanto, tienen un comportamiento similar ante cambios y responden de manera similar al ruido externo. A través de la conexión de diodos, pudimos realizar una sustracción, que cancela todos los cambios que comparten. Al incluir puertas direccionables separadas funcionalizadas con bioreceptores de referencia y objetivo, solo se mostrarán las señales de los biomarcadores después de la sustracción, logrando resultados de biosensado sin cambios graduales."

Evaluaron el rendimiento de su biosensor en una serie de pruebas y encontraron que redujo significativamente los errores de grabación derivados del movimiento, el calor y la humedad. También demostraron que el sensor podía rastrear de manera confiable los niveles de diferentes sustancias objetivo en el sudor de un usuario, incluyendo cortisol, glucosa y sodio.

"Nuestros sensores OFET suprimieron sustancialmente la distorsión de la señal en más de 2 órdenes de magnitud, causada por inestabilidad por sesgo, tensión uniaxial (hasta el 100%), compresión (hasta 50 mN) y variaciones de temperatura (25–40 °C)", afirmó Zhao.

"Los biosensores de transistores son inmunes a los cambios graduales y a las variaciones ambientales externas por primera vez. Mostramos la aplicación de la detección de cortisol en el sudor, y esto puede usarse para cuantificar estados mentales y el diagnóstico temprano de trastornos mentales."

Los investigadores integraron su biosensor con un circuito flexible y una aplicación para smartphone para demostrar su potencial en aplicaciones de salud en el mundo real. Mostraron que el dispositivo podía captar los niveles de cortisol en el sudor de un usuario, lo que podría utilizarse para monitorear su estrés y ansiedad en tiempo real.

El nuevo biosensor podría mejorarse aún más y probarse en una gama más amplia de escenarios. En el futuro, podría utilizarse para fabricar dispositivos biomédicos más precisos que puedan monitorear de manera confiable señales asociadas con condiciones mentales o físicas específicas.

"Circuitos de acondicionamiento de señal adicionales, como un amplificador operacional, podrían integrarse para mejorar aún más las relaciones señal-ruido y la sensibilidad", agregó Bao.

"Ahora también estamos interesados en desarrollar e-skins químicas completamente blandas y estirables para combinar sensores, acondicionamiento de señales, energía y transmisión inalámbrica todo en uno."