Sensori indossabili

I sensori indossabili sono, secondo la I.U.P.A.C., tra le dieci migliori tecnologie emergenti in chimica del 2023 per le loro applicazioni nella diagnostica e nella terapia medica. Con il rapido sviluppo di dispositivi intelligenti, dispositivi medici, robot flessibili e altri campi, è una tendenza inevitabile dello sviluppo futuro che i sensori indossabili sostituiscano i tradizionali dispositivi elettronici ingombranti.

I sensori indossabili più avanzati sono in grado di effettuare misurazioni del sangue e del sudore e un’ampia gamma di importanti specie che hanno un ruolo biologico come sodio, cloruro, calcio, magnesio, ammonio, glucosio, acido urico, amminoacidi come la glicina.

I sensori indossabili sono anche in grado di monitorare l’accumulo di acido lattico durante uno sforzo intenso e pertanto essere utilizzati nella medicina dello sport. I sensori indossabili misurano in modo dinamico e non invasivo i marcatori biochimici presenti nei fluidi biologici e recentemente, il monitoraggio non invasivo dei biomarcatori attraverso l’uso di biosensori sia per l’analisi sanitaria che per quella sportiva è diventato un punto fondamentale della ricerca.

Componenti dei sensori indossabili

I requisiti di base per la fabbricazione di sensori indossabili sono l’elasticità, la flessibilità, biodegradabilità ed inoltre devono adattarsi al movimento del corpo umano. I sensori chimici sono dispositivi che trasformano le informazioni chimiche, che vanno dalla concentrazione di uno specifico componente del campione all’analisi della composizione complessiva, in un segnale analiticamente utile.

A questo scopo, i sensori chimici sono generalmente costituiti da due componenti principali: il materiale di rilevamento e il trasduttore. Il materiale di rilevamento ha il compito di interagire con l’analita e la conseguenza di questa interazione vincolante è il cambiamento di una proprietà del materiale, come la massa e la conduttività elettrica. Il trasduttore traduce quindi questo cambiamento in un segnale leggibile, solitamente un segnale elettronico.

Alcuni dei materiali comunemente utilizzati come materiali per sensori sono  alcool polivinilico, polidimetilsilossano, poliuretani, polietilentereftalato e poliesteri.

I sensori elettrochimici convertono le informazioni sull’analita in un segnale elettrico misurabile in tempo reale con elevata sensibilità. Per questo, le molecole dei biorecettori come enzimi, anticorpi, DNA vengono solitamente immobilizzate sulla superficie del materiale conduttivo dell’elettrodo per interagire selettivamente con le molecole bersaglio. Le  tecniche di rilevamento elettrochimico più comuni sono l’amperometria, la potenziometria e la voltammetria.

Alimentazione  per sensori indossabili

I sensori indossabili necessitano di fonti di energia per farli funzionare e generalmente utilizzano le batterie come fonte di alimentazione. Tuttavia, l’uso delle batterie per alimentare i sensori indossabili è associato a rischi quali la fuoriuscita di sostanze tossiche e una durata limitata dei dispositivi.

Una soluzione alternativa prevede sensori indossabili che raccolgono energia dal corpo umano o dall’ambiente circostante. Esistono numerose tecnologie che possono essere utilizzate per raccogliere energia, tra cui celle fotovoltaiche o solari, generatori termoelettrici, nanogeneratori piezoelettrici, nanogeneratori triboelettrici celle a biocarburante, generatori elettromagnetici e raccoglitori di radiofrequenza.

Attualmente sono prevalentemente utilizzate le batterie alcaline che sono sicure e facilmente sostituibili. Tuttavia, il voltaggio delle batterie alcaline diminuisce con l’uso continuato e gli ibridi nichel-metallo sono una classe alternativa di batterie che possono essere utilizzate per alimentare sensori indossabili. Questi tipi di batterie sono ricaricabili e hanno una capacità tre volte superiore a quella delle batterie al nichel-sodio, con un valore che si avvicina a quello delle batterie agli ioni di litio.

Un’alternativa alle batterie sono le celle solari che possono caricare i dispositivi indossabili tramite una connessione USB. Le celle solari alla perovskite sono una classe di celle solari che offrono una soluzione energetica efficiente, flessibile e leggera per sensori elettronici indossabili.

Misurazione della glicemia

Il diabete  affligge oltre mezzo miliardo di persone nel mondo e le sue complicazioni sono diventati una preoccupazione sanitaria mondiale. Il test tradizionale che rileva il glucosio nel sangue è invasivo, non può essere continuo e provoca disagio per i pazienti.

Di conseguenza, i sensori di glucosio indossabili che consentono un monitoraggio continuo del glucosio nei biofluidi hanno attirato grande attenzione. Il sensore elettrochimico indossabile basato su smartphone è un candidato promettente per il rilevamento accurato del glucosio.

È stato fabbricato un sensore sensibile al glucosio indossabile incorporato nello smartphone. La superficie dei nanotubi di carbonio a parete singola è stata funzionalizzata con i nanocompositi glucosio ossidasi-Nafion. La glucosio ossidasi, infatti, catalizza specificamente l’ossidazione del glucosio in H₂O₂ e acido gluconico.

Film di poliimmide e polimetilmetacrilato sono stati rivestiti sulla superficie di un wafer di silicio mediante rivestimento per rotazione. Successivamente, la sospensione dispersa è stata rivestita sulla superficie di una pellicola modificata con 3-(amminopropil) trietossisilano Infine, è stata depositata la soluzione acquosa del nanocomposito glucosio ossidasi-Nafion.