Piel biónica transpirable para monitorizar el estado de salud

La creciente población global de edad avanzada se enfrenta a una creciente crisis de salud pública, con enfermedades crónicas que afectan a más del 60% de los adultos solo en los Estados Unidos. La detección médica convencional se basa en extracciones de sangre invasivas y equipos complejos, lo que dificulta el monitoreo frecuente. Los biosensores portátiles ofrecen una solución prometedora, permitiendo el seguimiento continuo de la salud a través de la piel. Sin embargo, la mayoría de los dispositivos portátiles carecen de la transpirabilidad y el control de la humedad de la piel real. Ahora, investigadores de la Universidad de la Ciudad de Hong Kong han desarrollado un parche de "piel biónica" inteligente que imita de cerca el rendimiento y la sensación de la piel humana mientras monitorea continuamente los biomarcadores. Su matriz de sensores transpirable, descrita en el artículo "Una Piel Biónica para la Gestión de la Salud: Excelente Transpirabilidad, Detección In Situ y Análisis de Big Data" en Advanced Materials, podría promover la gestión personalizada de la salud. El sudor humano contiene valiosos indicadores de salud. Los niveles de glucosa ayudan a diagnosticar y monitorear la diabetes. El ácido láctico significa fatiga muscular y riesgo de isquemia. El sodio y el pH se correlacionan con enfermedades renales, epilepsia y sepsis. La temperatura de la piel y la impedancia rastrean la inflamación, la circulación y las infecciones cutáneas. La electromiografía (EMG) revela condiciones musculares y nerviosas como la ELA. Sin embargo, estos biomarcadores son impracticables de monitorear a través de extracciones de sangre repetidas. Anteriormente, la mayoría de los sensores flexibles sacrificaban la comodidad por la funcionalidad. La nueva piel biónica aprovecha la electrohilatura para crear una estructura de fibra jerárquica que se asemeja a la piel, con una capa interna hidrofílica para absorber el sudor y una capa externa hidrofóbica para impermeabilizar la electrónica. Este diseño biomimético proporciona permeabilidad al aire, control de la humedad y sensores duraderos encapsulados en una membrana similar a la piel.

Los investigadores optimizaron la morfología a escala nanométrica para lograr la máxima transpirabilidad ajustando parámetros de electrohilatura como la concentración de polímero y el voltaje. Las fibras resultantes tienen un diámetro de solo 160-190 nm, con poros de 300 nm distribuidos uniformemente en toda la piel biónica. Para obtener resistencia mecánica, utilizaron un proceso de soldadura con solventes para fusionar las nanofibras cruzadas en uniones físicas robustas. En general, la piel biónica presenta una permeabilidad al aire similar a la de los textiles, una resistencia a la tracción de 20.7 MPa y una elongación de más del 100% antes de romperse, sorprendentemente similar a la piel humana.

Incorporado en la capa interna hidrofílica, el equipo integró un conjunto de sensores químicos para monitorear la glucosa, el ácido láctico y el pH en el sudor, importantes indicadores del metabolismo y la fatiga muscular. La capacidad de absorción de humedad de la piel biónica permite una recolección eficiente de analitos a partir de pequeños volúmenes de sudor. Los sensores de temperatura de la piel e impedancia rastrean signos vitales adicionales, mientras que un electrodo de electromiografía (EMG) monitorea señales musculares y nerviosas.

Rastros de metal líquido dispuestos en la superficie hidrofóbica externa recopilan y transmiten datos de sensores a dispositivos electrónicos externos sin interferencia del sudor. Los investigadores demostraron que los circuitos impresos mantienen una alta conductividad incluso cuando se estiran y se doblan. En pruebas exhaustivas, la piel biónica monitoreó los niveles de glucosa, lactato y pH de los individuos, junto con la temperatura de la piel e impedancia, durante el ejercicio y los deportes. El análisis de una multitud de biomarcadores proporciona una comprensión más profunda de la salud y el rendimiento.

En comparación con los electrodos de gel, la piel biónica ofreció una comodidad y transpirabilidad superiores durante las pruebas de uso a largo plazo. Su estructura biomimética también permite la refrigeración radiativa pasiva, reduciendo la temperatura de la piel hasta 1.2°C en comparación con los parches de gel. Analizando la biocompatibilidad, estudios celulares confirmaron que la piel biónica no presenta problemas de toxicidad para su uso en el mundo real.

En general, los investigadores lograron un conjunto de sensores imprimibles multifuncionales que igualan tanto el rendimiento como la comodidad de la piel natural. La piel biónica transpirable podría permitir el seguimiento continuo de la salud durante el ejercicio y las actividades diarias. Al recopilar biomarcadores a largo plazo que no son factibles con pruebas de sangre infrecuentes, tiene el potencial de transformar la gestión de la salud personalizada y los diagnósticos médicos. Los principios de diseño bioinspirados también podrían guiar futuros avances en la electrónica flexible y portátil.

Autor del artículo original en inglés: Michael Berger.Michael es autor de tres libros publicados por la Royal Society of Chemistry:

"Nano-Society: Pushing the Boundaries of Technology" (Nano-Sociedad: Empujando los Límites de la Tecnología).
"Nanotechnology: The Future is Tiny" (Nanotecnología: El Futuro es Pequeño).
"Nanoengineering: The Skills and Tools Making Technology Invisible" (Nanoingeniería: Las Habilidades y Herramientas que Hacen que la Tecnología Sea Invisible).