Sensore elettrochimico flessibile stabile a lungo termine e altamente sensibile basato su grafene poroso modificato con nanocompositi mediante un facile trattamento laser per rilevare biomarcatori come il glucosio nel sudore
Il monitoraggio continuo del sudore può rivelare informazioni preziose sulla salute umana, come i livelli di glucosio nel corpo. Tuttavia, secondo i ricercatori della Penn State, mancano i sensori indossabili precedentemente sviluppati per questo scopo, incapaci di resistere ai rigori o di raggiungere la specificità necessaria per il monitoraggio continuo. Ora, il gruppo di ricerca ha creato una nuova patch indossabile che potrebbe essere all’altezza del compito.
Realizzato con un materiale nanocomposito di grafene modificato al laser, il dispositivo è in grado di rilevare specifici livelli di glucosio nel sudore per tre settimane monitorando contemporaneamente la temperatura corporea e i livelli di pH, hanno riferito i ricercatori in Advanced Functional Materials (1).
«Il sudore è ideale per il rilevamento di biomarcatori in tempo reale, continuo e non invasivo», ha affermato il ricercatore principale Huanyu “Larry” Cheng (2), professore associato di ingegneria e meccanica (ESM) alla Penn State di James L. Henderson, Jr. Memorial. «Ma i bassi livelli di concentrazione di biomarcatori nel sudore e la variabilità di altri fattori come il pH, la salinità e la temperatura hanno spinto i precedenti biosensori del sudore oltre i limiti della loro rilevazione e accuratezza. Questo dispositivo è in grado di tenere conto di questa variabilità misurando il glucosio con la specificità necessaria per settimane alla volta».
Il dottor Cheng e i suoi colleghi hanno riconosciuto, dai loro precedenti studi sui sensori (3) e dal lavoro condotto da altri ricercatori, che gli elettrodi di grafene indotto dal laser (LIG) – elettrodi fabbricati con un nanomateriale costruito in un unico passaggio con la scrittura laser – potrebbero offrire un promettente punto di partenza per sviluppare un metodo più efficace di sensore di sudore indossabile.
Il dottor Cheng spiega che «Nonostante le limitazioni dovute alla bassa sensibilità al glucosio e ad una superficie limitata per l’elettrochimica necessaria gli elettrodi LIG sono semplici da fabbricare, convenienti e flessibili. Lavorando su scala nanometrica, i ricercatori hanno riferito di aver utilizzato un semplice trattamento laser per creare una rete 3D stabile di leghe di metalli nobili altamente conduttivi – oro e argento in questo caso – e materiali nanocompositi a base di carbonio sull’elettrodo LIG poroso. I metalli nobili non solo sono altamente conduttivi ma sono anche resistenti all’ossidazione».
Riscaldando il materiale nanocomposito in lega di oro e argento con un semplice trattamento laser, Cheng ha affermato che il materiale resiste anche all'agglomerazione. Questo è un fenomeno comune in cui le nanoparticelle si uniscono in cluster, limitando la superficie del materiale.
«Il glucosio sulla superficie dell’elettrodo LIG modificato si ossida a un potenziale inferiore», ha affermato la prima autrice Farnaz Lorestani (4), studiosa post-dottorato dell’ESM. «Questa ossidazione genera un cambiamento misurabile di corrente o potenziale che è direttamente proporzionale alla concentrazione complessiva di glucosio nella soluzione. Notiamo anche una stabilità molto maggiore nel tempo, con il sensore trattato con laser che perde solo il 9% della sua sensibilità in tre settimane rispetto alla perdita di sensibilità del 20% per un sensore senza trattamento laser».
Secondo i ricercatori, oltre a misurare il glucosio, l’elettrodo LIG modificato ha risposto anche ai cambiamenti dei livelli di pH. Per fabbricare il dispositivo indossabile, hanno combinato il doppio sensore di glucosio e pH con un altro sensore di temperatura basato su LIG e uno strato estensibile con canali microfluidici a forma di bobina per raccogliere e instradare continuamente il sudore per il campionamento.
«Il dispositivo consente la calibrazione delle misurazioni del glucosio in base alle fluttuazioni del pH del sudore e della temperatura corporea derivanti da attività come l'esercizio fisico e il consumo di cibo», ha affermato Cheng. Indossato come un cerotto largo circa il doppio di un francobollo e fissato sulla pelle con nastro adesivo, può comunicare in modalità wireless i dati raccolti a un computer o dispositivo mobile per il monitoraggio e l'analisi in tempo reale.
«Il risultato del nostro lavoro è un sensore con la notevole sensibilità e stabilità per monitorare i livelli di glucosio per più settimane», ha affermato Cheng. «Si tratta di una piattaforma a basso costo che offre analisi convenienti, accurate e continue del sudore in diverse condizioni, che ha un grande potenziale per la salute individuale e della popolazione, la medicina personalizzata e la nutrizione di precisione».
Ulteriori contributori alla ricerca dell’ESM sono stati gli studenti laureati: Abu Musa Abdullah, Shishir Barai, Md Abu Sayeed Biswas, Shuvendu Das, Ankan Duta, Bowen Li, Yushen Liu, Zhenyan Niu, MD Mashfiqur Rahman, Xin Xin, and Xianzhe Zhang; e dalla Penn State Materials Research Institute, Ke Wang, professore associato di ricerca. Duta è anche affiliato al Penn State Center for Neural Engineering.
Riferimenti:
(3) Monitoring glucose levels, no needles required
(4) Farnaz Lorestani
Descrizione foto: I ricercatori della Penn State hanno sviluppato un nuovo sensore indossabile per monitorare i livelli di glucosio nel sudore per più settimane. - Credit: Kate Myers/Penn State.
Autore traduzione riassuntiva e adattamento linguistico: Edoardo Capuano / Articolo originale: New wearable sensor makes continuous analysis of sweat possible, researchers say