28 de enero de 2024
(Proyector Nanowerk) Los sensores portátiles prometen un seguimiento de la salud continuo y personalizado más allá de las visitas clínicas. Pero hoy en día la mayoría de los dispositivos todavía tienen diseños fijos dirigidos a aplicaciones únicas, y carecen de versatilidad para abordar las necesidades cambiantes de los usuarios. Ahora, los investigadores informan en Materiales avanzados (“Nanocompuesto de grafeno magnético duro para electrónica blanda reconfigurable y multimodal”) sensores de grafeno autoensamblables magnéticamente que podrían permitir la visión tan buscada de dispositivos electrónicos portátiles reconfigurables y modulares personalizados para individuos. Equilibrar las propiedades eléctricas adecuadas con características mecánicas biocompatibles plantea un desafío duradero para el desarrollo de dispositivos portátiles. La precisión del diagnóstico y la versatilidad mejoran con sensores precisos y adaptables. Sin embargo, los factores de forma suaves que evitan la irritación de la piel a menudo entran en conflicto con los requisitos de componentes ajustables y de alto rendimiento, como los imanes duros. Los intentos anteriores de dispositivos portátiles reconfigurables sacrificaron las capacidades de detección o la confiabilidad de la interconexión en comparación con los dispositivos de un solo uso debido a estas compensaciones. Pero el nuevo estudio demuestra que los nanocompuestos magnéticos de grafeno aumentan la precisión de los sensores y al mismo tiempo permiten un autoensamblaje confiable, combinando los mejores aspectos de los biosensores flexibles y la electrónica personalizable. Los recientes avances en materiales han acercado el dispositivo soñado a la realidad. de grafeno su alta conductividad y biocompatibilidad lo convierten en un interesante material de detección base para dispositivos electrónicos montados en la piel. Al inducir poros con láser en una película de grafeno, los investigadores crearon una red conductora flexible adecuada para diversas modalidades de detección, incluidas reacciones electroquímicas, señales electrofisiológicas como ECG y cambios de temperatura. La innovación radica en complementar esta película sensora con partículas magnéticas duras para su autoensamblaje. El "nanocompuesto magnético de grafeno" (HMGN) resultante impulsa mejoras en el rendimiento del sensor al tiempo que permite conexiones reversibles y reconfigurables.
a) Ilustración esquemática de la electrónica blanda reconfigurable en nanocompuesto magnético de grafeno. b) Método de fabricación de dopaje de grafeno poroso con NdFeB. (Reimpreso con autorización de Wiley-VCH Verlag) En sus experimentos, los investigadores demostraron que aumentar la película porosa de grafeno con partículas magnéticas aumenta significativamente las capacidades del sensor. Las pruebas demostraron que el nanocompuesto magnético de grafeno mejoró la precisión del sensor para metabolitos como el ácido úrico y la piridoxina en un 70 % y redujo las impedancias para la detección electrofisiológica en un 87 % en comparación con el grafeno poroso solo. Por ejemplo, los sensores de ácido úrico mostraron una sensibilidad que aumentó de 29.6 a 8 nA/μM.-1 después del dopaje magnético. Mientras tanto, los sensores de temperatura aumentaron su sensibilidad del 0.14 al 0.22% °C.-1. El grafeno dopado magnéticamente también redujo las impedancias para la detección electrofisiológica en un 87%: de 37.96 kΩ a 4.73 kΩ en frecuencias de 1 kHz. Fundamentalmente, los dominios magnéticos permiten que las películas HMGN se unan para formar conexiones eléctricas confiables sin soldaduras ni adhesivos. Los campos magnéticos aplicados organizan los dominios magnéticos desordenados en polos norte-sur alineados, análogos a las barras magnéticas. Los polos opuestos se atraen para autoensamblar sensores HMGN modulares sobre un sustrato flexible en diseños definidos por el usuario. Los investigadores probaron este concepto fabricando una serie de 16 electrodos sensores de impedancia en HMGN. Tras una orden, los electrodos cuadrados se separaron y se volvieron a ensamblar en formas de círculos y triángulos para mapear las geometrías del tejido dañado. En otros experimentos, al intercambiar sensores HMGN individuales sobre un sustrato se adaptó la sensibilidad del dispositivo, la cobertura espacial y las modalidades de detección como concentraciones de electrolitos, señales de ECG y temperatura. El equipo integró sensores de iones de sodio, cloruro y ácido úrico en una plataforma para monitorear la pérdida de electrolitos en el sudor durante el ejercicio. Después de recopilar datos, los sensores se desconectaron para que otros nuevos de ECG y temperatura pudieran reemplazarlos para medir la respuesta cardiovascular, lo que demuestra el potencial de HMGN como electrónica portátil multifuncional eficiente. Estos dispositivos modulares y flexibles podrían promover diagnósticos y tratamientos personalizados adaptados a pacientes y contextos individuales. El seguimiento continuo de marcadores biofísicos y bioquímicos fuera de los entornos clínicos también promete hacer que la medicina se oriente hacia la atención preventiva en lugar de enfoques reactivos. El camino a seguir incluye mejorar la biocompatibilidad de HMGN para más ubicaciones del cuerpo y adaptar los tipos de sensores a condiciones como glucosa, humedad y tensión. Si bien la electrónica autoensamblada magnéticamente introduce una reconfigurabilidad prometedora, el intercambio manual aún limita las adaptaciones rápidas de los dispositivos a múltiples escenarios en períodos de tiempo cortos. Los sistemas totalmente integrados que reorganizan automáticamente los sensores modulares plug-and-play en respuesta a entradas contextuales y patrones de uso representan la próxima frontera. No obstante, este avance ayuda a hacer realidad la visión de dispositivos portátiles inteligentes que mejoran la salud al adaptarse a las necesidades cambiantes de cada usuario. Los nanocompuestos magnéticos de grafeno inducidos por láser allanan el camino hacia una electrónica multifuncional personalizable que monitorea continuamente el bienestar las XNUMX horas del día en las actividades cotidianas. El enfoque modular y reversible desarrollado aquí acerca el sueño de la medicina personalizada, preventiva y participativa.
a) Ilustración esquemática de la electrónica blanda reconfigurable en nanocompuesto magnético de grafeno. b) Método de fabricación de dopaje de grafeno poroso con NdFeB. (Reimpreso con autorización de Wiley-VCH Verlag) En sus experimentos, los investigadores demostraron que aumentar la película porosa de grafeno con partículas magnéticas aumenta significativamente las capacidades del sensor. Las pruebas demostraron que el nanocompuesto magnético de grafeno mejoró la precisión del sensor para metabolitos como el ácido úrico y la piridoxina en un 70 % y redujo las impedancias para la detección electrofisiológica en un 87 % en comparación con el grafeno poroso solo. Por ejemplo, los sensores de ácido úrico mostraron una sensibilidad que aumentó de 29.6 a 8 nA/μM.-1 después del dopaje magnético. Mientras tanto, los sensores de temperatura aumentaron su sensibilidad del 0.14 al 0.22% °C.-1. El grafeno dopado magnéticamente también redujo las impedancias para la detección electrofisiológica en un 87%: de 37.96 kΩ a 4.73 kΩ en frecuencias de 1 kHz. Fundamentalmente, los dominios magnéticos permiten que las películas HMGN se unan para formar conexiones eléctricas confiables sin soldaduras ni adhesivos. Los campos magnéticos aplicados organizan los dominios magnéticos desordenados en polos norte-sur alineados, análogos a las barras magnéticas. Los polos opuestos se atraen para autoensamblar sensores HMGN modulares sobre un sustrato flexible en diseños definidos por el usuario. Los investigadores probaron este concepto fabricando una serie de 16 electrodos sensores de impedancia en HMGN. Tras una orden, los electrodos cuadrados se separaron y se volvieron a ensamblar en formas de círculos y triángulos para mapear las geometrías del tejido dañado. En otros experimentos, al intercambiar sensores HMGN individuales sobre un sustrato se adaptó la sensibilidad del dispositivo, la cobertura espacial y las modalidades de detección como concentraciones de electrolitos, señales de ECG y temperatura. El equipo integró sensores de iones de sodio, cloruro y ácido úrico en una plataforma para monitorear la pérdida de electrolitos en el sudor durante el ejercicio. Después de recopilar datos, los sensores se desconectaron para que otros nuevos de ECG y temperatura pudieran reemplazarlos para medir la respuesta cardiovascular, lo que demuestra el potencial de HMGN como electrónica portátil multifuncional eficiente. Estos dispositivos modulares y flexibles podrían promover diagnósticos y tratamientos personalizados adaptados a pacientes y contextos individuales. El seguimiento continuo de marcadores biofísicos y bioquímicos fuera de los entornos clínicos también promete hacer que la medicina se oriente hacia la atención preventiva en lugar de enfoques reactivos. El camino a seguir incluye mejorar la biocompatibilidad de HMGN para más ubicaciones del cuerpo y adaptar los tipos de sensores a condiciones como glucosa, humedad y tensión. Si bien la electrónica autoensamblada magnéticamente introduce una reconfigurabilidad prometedora, el intercambio manual aún limita las adaptaciones rápidas de los dispositivos a múltiples escenarios en períodos de tiempo cortos. Los sistemas totalmente integrados que reorganizan automáticamente los sensores modulares plug-and-play en respuesta a entradas contextuales y patrones de uso representan la próxima frontera. No obstante, este avance ayuda a hacer realidad la visión de dispositivos portátiles inteligentes que mejoran la salud al adaptarse a las necesidades cambiantes de cada usuario. Los nanocompuestos magnéticos de grafeno inducidos por láser allanan el camino hacia una electrónica multifuncional personalizable que monitorea continuamente el bienestar las XNUMX horas del día en las actividades cotidianas. El enfoque modular y reversible desarrollado aquí acerca el sueño de la medicina personalizada, preventiva y participativa.
– Michael es autor de tres libros de la Royal Society of Chemistry:
Nano-sociedad: empujando los límites de la tecnología,
Nanotecnología: el futuro es pequeñoy
Nanoingeniería: las habilidades y herramientas que hacen que la tecnología sea invisible
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