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Investigadores del Centro de Electrónica Bio-Integrada de la Universidad Northwestern están promoviendo el desarrollo de biosensores de sudor con sus últimos sensores de glucosa y lactato.

¿Qué son los biosensores de sudor?

Los biosensores de sudor son dispositivos que monitorean una cantidad fisiológica determinada en el sudor, que a menudo se usa en el brazo o en el hombro posterior, ya que estas ubicaciones experimentan una alta producción de sudor en comparación con el resto del cuerpo. A menudo, los biosensores de sudor están diseñados para analizar biomarcadores como la glucosa, el lactato o el sodio, y brindan información sobre el contenido glucémico, la actividad muscular o la hidratación.

Los biosensores de sudor han visto un mayor interés en la industria de dispositivos médicos y en el mundo académico, ya que presentan una oportunidad única para monitorear de forma no invasiva importantes biomarcadores para aplicaciones de salud y acondicionamiento físico, así como para diagnóstico y tratamiento médico.

Los investigadores en el Centro de Electrónica Bio-Integrada de la Universidad Northwestern, dirigido por el Profesor John Rogers, se encuentran entre los que abogan por la investigación de biosensores de sudor portátiles. Una de sus publicaciones recientes titulada "Sistemas microfluídicos / electrónicos sin interfaz, con interfaz de la piel para el análisis electroquímico, colorimétrico y volumétrico simultáneo del sudor" destaca su esfuerzo.

La figura muestra diferentes facetas del biosensor de sudor, destacando particularmente su construcción multicapa, así como su funcionamiento sin batería. Imagen del Grupo de Investigación Rogers.

Tampón de voltaje para sensores potenciométricos de glucosa y lactato

El extremo frontal analógico es bastante simple y requiere solo un seguidor de voltaje simple con filtros de RF integrados. Los sensores de glucosa y lactato son sensores potenciométricos, lo que significa que emiten un pequeño voltaje proporcional a la concentración de glucosa o lactato presente en la muestra de sudor que se analiza. Esta misma operación es la base de las sondas de pH de laboratorio comunes y requiere hardware bastante simple, que consiste en un búfer de voltaje de bajo ruido, para implementar.

Esquema de los sensores potenciométricos de glucosa y lactato. Cada señal se almacena en búfer y se filtra antes de digitalizar para eliminar el ruido extraño. Contenido de imagen recreado desde Science Advances.

El grupo de investigación incluyó un capacitor en la red de retroalimentación del circuito del seguidor para disminuir el ancho de banda y reducir el ruido. La señal es luego leída por un convertidor de analógico a digital de 14 bits.

Energía inalámbrica a través de NFC

Una de las características clave destacadas por el equipo de investigación es el funcionamiento sin batería de su dispositivo. En lugar de alimentar el dispositivo con una batería de celda primaria o secundaria estándar, Rogers Research Group optó por emplear un esquema de alimentación inalámbrica que aproveche de forma astuta la NFC (comunicación de campo cercano) tanto para la alimentación como para la comunicación.

Esta técnica se utiliza en las etiquetas NFC de los consumidores para la comunicación inalámbrica de corto alcance entre la etiqueta y un dispositivo inteligente habilitado para NFC. A pesar de que NFC no se ha apoderado completamente de la industria de la electrónica de consumo como muchos de los predichos anteriormente, NFC está encontrando un uso cada vez mayor para permitir el pago sin contacto utilizando teléfonos móviles y relojes inteligentes.

NFC proporciona una cantidad de energía muy modesta, por lo que es necesario que el circuito funcione a una potencia extremadamente baja. Utilizaron el transpondedor de sensor RF430FRL152H de Texas Instruments, que está diseñado para funcionar con una batería pequeña o, lo que es más interesante, en un campo magnético.

El diagrama de bloques funcional del Texas Instruments RF430FRL152H. Imagen de la hoja de datos del RF430FRL152H.

El RF430FRL152H tiene un voltaje de operación increíblemente bajo de 1.45 V y está diseñado para manejar la potencia variable no regulada proporcionada por un campo magnético intermitente.

El RF430FRL152H incluye la popular arquitectura de microcontrolador MSP430 de baja potencia de Texas Instruments, que cuenta con uno de los voltajes operativos más bajos de la industria. El grupo de Rogers menciona el almacenamiento en búfer de las señales del sensor con el ADA4505-2, un amplificador de pequeña huella, cero cruce, bajo ruido y bajo voltaje de operación. La huella mínima es fundamental para garantizar que el sensor permanezca discreto cuando se lo lleva en el cuerpo. Se necesitan cero cruces y poco ruido para minimizar la distorsión, ya que las señales de los sensores de glucosa y lactato tienen un rango dinámico muy pequeño y no se amplifican (porque un amplificador, en lugar de un búfer de ganancia unitaria, requeriría componentes pasivos adicionales).

Datos que muestran las mediciones del sensor de glucosa y lactato del sensor en comparación con las técnicas de laboratorio tradicionales. Imagen del Grupo de Investigación Rogers.

Alguna fabricación interna

La fabricación de la antena NFC se realizó de forma interna utilizando fotolitografía para trazar trazas conductoras en un material de placa de circuito impreso flexible (DuPont Pyralux AP8535R) separado por una capa de poliimida y encapsulado por un material de silicona para impermeabilización. El desarrollo interno de la antena NFC presenta al grupo de investigación la mayor flexibilidad en el control de calidad, lo que se traduce en un excelente rendimiento de la antena con una Q alta, incluso con radios de curvatura moderadamente altos.

Primeros estudios de viabilidad

Los investigadores demostraron la capacidad de sus dispositivos para medir diferentes biomarcadores mientras funcionan con un teléfono inteligente habilitado con NFC, así como con una antena de gran escala diseñada a medida para monitorear continuamente mientras se conduce una bicicleta estacionaria. Los resultados son, por supuesto, preliminares, pero son prometedores a pesar de todo.

Los biosensores de sudor son conocidos por la desviación de la línea de base, la variabilidad debida a la temperatura y la variabilidad debida a la corrosión de los elementos de detección, lo que lleva a una menor relación señal-ruido con el tiempo a medida que aumenta el desgaste. Aunque este documento no aborda estos temas específicamente, otras preocupaciones, como el adhesivo hipoalergénico y la miniaturización del extremo frontal analógico, presentaron soluciones interesantes para los problemas más difíciles que enfrentan los biosensores de sudor.

El caso de menor potencia y miniaturización

Este documento demuestra la necesidad de miniaturización y de opciones de alimentación más flexibles para desarrollar tecnología biomédica avanzada, así como la necesidad de circuitos integrados de escala de obleas para reducir la huella del dispositivo. La miniaturización y la disminución del consumo de energía son particularmente críticos para los sensores portátiles, ya que dichos sensores se basan en ser discretos y duraderos. Este documento también presenta oportunidades clave para las relaciones entre la industria y la academia que podrían agilizar el desarrollo de la nueva tecnología médica al aprovechar las especialidades particulares de cada socio.

Las compañías de semiconductores pueden proporcionar conjuntos de chips con características avanzadas y bajo consumo de energía, las empresas de fabricación pueden proporcionar espacio académico para convertir sus prototipos en circuitos integrados personalizados, y la academia puede proporcionar los centros de prueba para el trabajo de alto riesgo que las empresas desean explorar.