I dispositivi indossabili di prima generazione si sono concentrati principalmente sul monitoraggio biofisico monitorando l'attività fisica, la frequenza cardiaca o la temperatura corporea di un individuo. Con la larga adozione e il successo dei dispositivi indossabili di prima generazione, l'attenzione si è lentamente spostata verso dispositivi per il monitoraggio biochimico e multimodale, che è tappa obbligata per la realizzazione di un'assistenza sanitaria personalizzata. In questo articolo, verranno esaminati i vari elementi costitutivi dei sensori indossabili di seconda generazione, per il monitoraggio biochimico e multimodale.
Introduzione
Gli indossabili di seconda generazione comprendono fattori di forma come cerotti sulla pelle, tatuaggi, pellicole montate sui denti, lenti a contatto e tessuti così come microaghi e dispositivi iniettabili più invasivi. Una caratteristica chiave dei dispositivi indossabili di seconda generazione è l'uso di biofluidi, per cui gli elementi di bioriconoscimento sono utilizzati per convertire la presenza di un analita specifico in un segnale rilevabile. Andiamo ad esaminare gli elementi costitutivi di tali sensori indossabili, inclusi i materiali del substrato, i meccanismi di rilevamento, i moduli di potenza e le unità decisionali, riflettendo sui recenti sviluppi nei materiali, nell'ingegneria e nella scienza dei dati per questi componenti.
Elementi costitutivi
Anche se il numero totale dei componenti potrebbe variare a seconda delle specifiche applicazioni, gli elementi costitutivi comuni dei dispositivi indossabili sono:
- i materiali per il substrato e gli elettrodi
- l'unità di rilevamento (elementi di interfacciamento, campionamento, bioriconoscimento, trasduzione e amplificazione del segnale)
- l'unità decisionale (componenti per la raccolta dei dati, elaborazione e trasmissione)
- l'unità di potenza
La Figura 1 riassume gli elementi fondamentali per un sensore indossabile di seconda generazione.
Figura 1: Blocchi fondamentali di un sensore indossabile di seconda generazione
Materiali del substrato
I vincoli operativi unici di un sensore indossabile richiedono l'attenta selezione dei materiali del substrato. Nel complesso i materiali in un dispositivo non devono solo avere le proprietà necessarie per il suo funzionamento ma anche le proprietà meccaniche richieste per qualsiasi accessorio indossabile come flessibilità, elasticità e robustezza. Ci concentriamo sulle quattro classi di materiali più utilizzate nello sviluppo di dispositivi indossabili: materiali naturali, polimeri sintetici, idrogel e materiali inorganici.
Materiali naturali
I materiali naturali sono la classe fondamentale per gli indossabili, in grado di fornire una combinazione di flessibilità e robustezza meccanica. Uno dei vantaggi del loro utilizzo è che i relativi metodi di fabbricazione sono stati già ampiamente esplorati. Inoltre, questi materiali sono già stati selezionati per avere la resistenza meccanica, la flessibilità e il comfort richiesti per un substrato indossabile. Un'altra caratteristica degna di nota è il basso costo. Essendo di natura biologica, essi sono biocompatibili e sostenibili, che sono vantaggi chiave per i materiali indossabili. Tuttavia, i materiali naturali sono intrinsecamente privi di certe proprietà fisiche desiderabili, tra cui conducibilità e attributi ottici. A causa di questa limitazione, i materiali naturali sono spesso usati come substrato per dispositivi indossabili su cui altri materiali funzionali vengono incorporati. In alternativa, i materiali naturali possono essere combinati con altri materiali durante il processo di fabbricazione, per creare un materiale mosaico, come l'incorporazione di fibre ottiche nella trama di un tessuto.
Polimeri sintetici
I polimeri sintetici sono i materiali funzionali più ampiamente utilizzati nella creazione di sensori indossabili, grazie a due fattori. Innanzitutto, i polimeri hanno una vasta gamma di metodi di fabbricazione a loro disposizione, inclusi metodi come la tessitura tradizionalmente usata per i materiali naturali. Questa versatilità consente l'accesso a diversi fattori di forma per creare componenti di sensori indossabili con le desiderate proprietà meccaniche. In secondo luogo, le proprietà dei sistemi polimerici possono essere modificate sia fisicamente che chimicamente. Sebbene ci siano polimeri sintetici che intrinsecamente possiedono le suddette proprietà, la maggior parte dei dispositivi indossabili hanno utilizzato compositi polimero-inorganici per ottenere la massima funzionalità. I sensori indossabili possono quindi essere costituiti da più strati ultrasottili di diversi polimeri sintetici e materiali compositi assemblati in modo complesso ma a basso costo. Molti polimeri sono inerti e biocompatibili, mentre altri potrebbero non essere sicuri per il contatto con la pelle sul lungo periodo, e richiederebbero un'attenta determinazione dei potenziali pericoli. La maggior parte dei dispositivi indossabili, fabbricati con polimeri sintetici, vengono progettati come monouso o con una durata limitata che, combinata con la difficoltà nel riciclaggio di polimeri complessi, produce polimeri poco sostenibili. In risposta, i ricercatori stanno cercando di creare una nuova generazione di polimeri verdi.
Idrogel
Sebbene gli idrogel possano essere considerati un sottoinsieme dei materiali naturali o dei polimeri sintetici, le loro distintive proprietà e applicazioni uniche, nei dispositivi indossabili, giustificano una discussione come una classe separata di materiali. Lo sviluppo degli idrogel è in gran parte avvenuto nel campo dell'ingegneria biomedica a causa della loro elevata biocompatibilità, con particolare attenzione al loro utilizzo come materiali impiantabili. Gli idrogel sono materiali morbidi, deformabili e trasparenti e le loro proprietà idrofile consentono un elevato contenuto di acqua che li rende biologicamente amichevoli. Molti polimeri naturali e sintetici possono essere usati per creare idrogel. Facili processi di polimerizzazione consentono la stampa, la fabbricazione additiva e persino la formazione in situ. La natura porosa degli idrogel fornisce un'impalcatura per la creazione di elettrodi morbidi, array di microaghi, strutture traspiranti per la raccolta dei fluidi corporei, o anche batterie trasparenti. Per i dispositivi indossabili, la biocompatibilità degli idrogel li rende adatti per applicazioni che coinvolgono la pelle, le ferite o sull'interfaccia del corpo. Tuttavia, sebbene ci siano eccezioni, molti idrogel mancano delle desiderate proprietà meccaniche, come flessibilità e robustezza, per un funzionamento continuo e robusto. Inoltre, gli idrogel tendono a costare di più rispetto ad altri sistemi polimerici il che comporta il loro utilizzo in applicazioni speciali.
Materiali inorganici
L'ultima classe di materiali sono i materiali inorganici, comprendenti metalli, semiconduttori e nanomateriali. Questi materiali presentano proprietà desiderabili, come alta conducibilità, che non sono realizzabili con le altre classi di materiali. Inoltre, molti nanomateriali hanno caratteristiche meccaniche eccezionali in termini di flessibilità ed elasticità. Con il crescente interesse per l'elettronica flessibile, c'è stato un rapido sviluppo di tecniche di fabbricazione avanzate per questi materiali, che consentono la loro incorporazione nei substrati di un indossabile deformabile. L'uso di questa classe è indispensabile per creare indossabili in cui l'approccio generale è la miniaturizzazione e la conversione di dispositivi elettrici tradizionali (vale a dire, circuiti, sensori, antenne e sistemi integrati di alimentazione) in un formato indossabile. L'incorporazione di materiali inorganici nei dispositivi indossabili è tipicamente limitata ai componenti funzionali chiave, limitando i costi. La biocompatibilità dei materiali inorganici è posta sotto osservazione, in particolare i nanomateriali sono fonte di potenziali rischi biologici. Quindi, questi materiali sono in genere limitati alle parti dei dispositivi indossabili che non sono intimamente in contatto con l'utente. Altra considerazione è la scarsa sostenibilità dei materiali inorganici, poiché la loro minuscola presenza in dispositivi indossabili complessi non rende fattibile l'estrazione e il riciclaggio. Con un assortimento così vario di materiali disponibili, diversi fattori devono essere considerati quando si contempla la progettazione di un dispositivo indossabile, inclusa la specifica applicazione di interesse, il livello di prestazioni desiderato, il fattore di forma, la facilità di fabbricazione, la produzione su larga scala, i costi e la sostenibilità.
Unità di rilevamento
Il nucleo dell'unità di rilevamento dei dispositivi indossabili di seconda generazione è il campionamento del biofluido che contiene l'analita. L'interazione molecolare tra il bersaglio e l'elemento di bioriconoscimento viene quindi convertita e amplificata con la trasduzione del segnale e l'unità di amplificazione, divenendo così l'uscita del sensore.
Biofluidi e campionamento
I biofluidi sono il target della seconda generazione di indossabili. Uno di questi biofluidi è il liquido interstiziale (ISF). L'ISF riempie lo spazio extracellulare tra cellule e strutture tissutali. Questo fluido corporeo filtra principalmente dai capillari nei tessuti e poi drena attraverso il sistema linfatico tornando alla circolazione vascolare. Pertanto, l'ISF può essere considerato una frazione filtrata priva di cellule del plasma sanguigno. L'ISF è una ricca fonte di biomarcatori. Tuttavia, accedere all'ISF è notevolmente meno invasivo rispetto al sangue, rendendolo un fluido ideale per il rilevamento indossabile. Esistono due approcci principali per il campionamento ISF indossabile: microaghi ed estrazione iontoforetica. Entrambe le tecnologie di campionamento sono relativamente mature. Un altro biofluido è il sudore. La maggior parte dei sensori che prendono di mira il sudore si concentrano sul rilevamento dei metaboliti per applicazioni fitness. Oltre alla forma fisica personale, il sudore è stato esplorato anche per applicazioni di monitoraggio del glucosio, cortisolo e alcool. Sebbene sia un biofluido altamente conveniente, l'analisi del sudore presenta diverse sfide di campionamento. Ogni respiro contiene una distribuzione di aerosol di diverse dimensioni. Questi aerosol fungono da vettori di trasmissione e sono, quindi, notevoli fonti di biomarcatori di patogeni respiratori. Il campionamento indossabile e l'analisi degli aerosol respiratori possono essere ottenuti in modo non invasivo utilizzando una maschera facciale. Questo concetto è stato dimostrato per il rilevamento di acidi nucleici virali in aerosol per il COVID-19 attraverso l'uso di biosensori integrati nella maschera. Altri biofluidi di interesse per i sensori indossabili, possono essere la saliva, il liquido lacrimale e l'urina.
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