حسگرهای عرق پوشیدنی نقش مهمی برای اطلاعات بالینی معنادار در رابطه با سلامت و بیماری افراد دارند. در حالی که حسگرها عمدتاً به آنزیم‌ها و آنتی‌بادی‌ها برای دستیابی به کمیت خاص بیومارکرهای استرس متکی هستند، آنزیم‌ها و آنتی‌بادی‌ها می‌توانند تخریب شوند و به عملکرد ضعیف کمک کنند. در گزارش جدیدی که اکنون در پیشرفت علمUmesha Mogera و تیمی از دانشمندان مهندسی زیست پزشکی در دانشگاه A&M تگزاس، تگزاس، ایالات متحده، یک سیستم میکروسیال مبتنی بر پلاسمونیک-کاغذ پوشیدنی را برای تجزیه و تحلیل از دست دادن عرق، میزان تعریق و متابولیت های تشکیل دهنده آن به طور مداوم و همزمان معرفی کردند. این تیم حسگرهای پلاسمونیکی را بر اساس طیف‌سنجی رامان بدون برچسب برای ارائه اثر انگشت شیمیایی برای شناسایی آنالیت توسعه دادند. آنها حساسیت تشخیص و تعیین کمیت اسید اوریک در عرق را در غلظت های فیزیولوژیکی و پاتولوژیک نشان دادند و کمیت دقیق پارامترهای مورد نظر را تسهیل کردند. آنها دستگاه پلاسمونیک پوشیدنی را طوری طراحی کردند که نرم، انعطاف پذیر و قابل کشش باشد تا پوست را بدون ایجاد تحریکات شیمیایی یا فیزیکی بپوشاند.

اندازه گیری اسید اوریک برای مدیریت بیماری

دانشمندان مواد طیفی از حسگرهای فیزیولوژیکی را برای اندازه گیری مداوم بیومارکرهای فیزیکی و شیمیایی با کاربردهایی در تشخیص بیماری، نظارت بر سلامت و پزشکی شخصی ایجاد کرده اند. حسگرهای پوشیدنی عرق می توانند مواد شیمیایی مختلف در عرق از جمله الکترولیت ها، متابولیت ها، فلزات سنگین، داروها و هورمون ها را برای درک تاثیر پاتوفیزیولوژیک بر بدن انسان اندازه گیری کنند. غلظت کلرید عرق می تواند پارامترهای غربالگری تشخیصی استاندارد برای فیبروز کیستیک را فراهم کند، در حالی که هدف تعیین کمیت گلوکز عرق برای مدیریت دیابت است. به طور مشابه، اسید اوریک نیز یک نشانگر زیستی بیماری قلبی-کلیوی و دیابت نوع 2 است. سنسورهای پوشیدنی عرق معمولاً به حساسیت بالا و پایداری محیطی برای تعیین کمیت نشانگرهای زیستی نیاز دارند. در این کار، موگرا و همکارانش یک سیستم میکروسیال یا کاغذ سیال کاغذی مبتنی بر کاغذ پلاسمونیک پوشیدنی را معرفی کردند تا مستقیماً عرق را جمع‌آوری کند تا از دست دادن عرق، میزان تعریق و آنالیت‌ها در عرق به طور مداوم و قابل اطمینان کمیت شود. دانشمندان از طیف‌سنجی رامان تقویت‌شده سطحی (SERS) برای تعیین کمیت غلظت اسید اوریک در غلظت‌های مرتبط فیزیولوژیکی و پاتولوژیکی بر اساس نانوحسگر پلاسمونیک یکپارچه استفاده کردند. این تیم روش‌های ترکیب دستگاه‌های کاغذی پلاسمونیک نازک، نرم و انعطاف‌پذیر را برای تعیین کمیت آنالیت‌ها با غلظت‌های مختلف نشان دادند.

طراحی دستگاه پلاسمونیک کاغذی پوشیدنی

موگرا و همکاران دستگاه سیال کاغذی نرم، فوق نازک و چند لایه را برای جمع آوری عرق در مچ دست، برای حمل و نقل، ذخیره سازی و آنالیزهای بیوشیمیایی بدون برچسب در زمان واقعی با استفاده از یک طیف سنج قابل حمل رامان توسعه دادند. این دستگاه با چندین لایه کاربردی، از جمله چسب دو طرفه، لایه میکروسیال کاغذی مسدود شده با لیزر، سنسورهای پلاسمونیک و لایه کپسوله مزایای متعددی را نشان داد. این تیم از یک کاغذ کروماتوگرافی سلولزی با طراحی مارپیچ استفاده کردند تا به عنوان یک کانال میکروسیال موثر برای انتقال عرق از طریق محیط متخلخل بدون نیروی خارجی یا فشار ورودی عمل کند. طراحی سرپانتین انعطاف پذیری و کشش را برای تطبیق با حرکت پوست بدون تنش سطحی یا تخریب دستگاه تسهیل می کند. محققان با استفاده از حسگرهای پلاسمونیک نصب شده در مکان‌های مختلف کانال میکروسیال کاغذی، غلظت آنالیت‌ها را در عرق در مقاطع زمانی مختلف با استفاده از طیف‌سنجی رامان اندازه‌گیری کردند. قابل ذکر است، چسب دو طرفه کربن سیاه، آسیب لیزر را مسدود می کند تا از تحریک پوست در طول اندازه گیری های طیف سنجی رامان درجا جلوگیری کند. موگرا و همکاران یک قطره 10 میکرولیتری آب اضافه کردند و اجازه دادند مایع در عرض یک دقیقه از اولین حسگر پلاسمونیک عبور کند. برای حسگرهای پلاسمونیک، آنها از کاغذ کروماتوگرافی جذب شده با نانومیله‌های طلا که به عنوان AUNR توصیف می‌شوند، استفاده کردند و آن‌ها را سنتز کردند و از طریق فعل و انفعالات الکترواستاتیکی و نیروهای واندروالس، ماندن روی کاغذ را تسهیل کردند.

ویژگی‌های جریان، بهینه‌سازی پلاسمونیک و حساسیت روی دستگاه‌های سیال کاغذی

تیم تحقیقاتی سپس حجم و سرعت عرق را از طریق ویژگی‌های جریان کاغذ سرپانتین میکروسیالی که بین یک کپسوله بالایی ساخته شده از پلی‌دی‌متیل سیلوکسان (PDMS) و لایه‌های چسب پایینی قرار گرفته است، کمیت کردند. حجم جذب سیال به صورت خطی با عرض کاغذ و فاصله سفر مایع برای ضخامت کاغذ معین متناسب بود. دانشمندان سینتیک مایع کاغذ میکروسیالی را برای تعیین کمیت میزان تعریق در زمان واقعی مشخص کردند و حجم و سرعت را که به محل دستگاه نصب شده روی بدنه بستگی دارد، تعیین کردند. موگرا و همکاران، کاغذ AUNR (نانومیله طلا) را که بین یک کاغذ میکروسیال و PDMS برای تشخیص اسید اوریک با حساسیت بالا از طریق SERS (طیف‌سنجی رامان تقویت‌شده سطحی) قرار گرفته است، طراحی و مشخص کردند. غلظت از غلظت فیزیولوژیکی و پاتولوژیک در عرق برای افراد سالم و برای افراد مبتلا به نقرس و هیپراوریسمی متغیر بود. آنها تغییر در شدت را به دنبال تغییرات در غلظت اسید اوریک برای تأیید ظرفیت تعیین کمیت غلظت اسید اوریک با زمان متغیر در دستگاه برجسته کردند.

انعطاف پذیری، کشش و پایداری دستگاه. عکس‌های (الف) یک دستگاه سیال کاغذی پلاسمونیک مونتاژ شده روی یک چسب پزشکی با پوشش کاغذ، (B) یک دستگاه سیال کاغذی ایستاده که روی یک برانکارد مکانیکی در حالت استراحت نصب شده است، (C) تحت کشش 30 درصد، (D) کشش زیر 60 درصد ، (E) یک دستگاه سیال کاغذی پیچ خورده و (F) یک دستگاه سیال کاغذی خرد شده. (G) طیف SERS UA تحت سویه های 0 و 30 درصد جمع آوری شده است. (H) تصویر حرارتی مادون قرمز از دستگاهی که روی صفحه داغ در دمای 45 درجه سانتیگراد با لیزر روشن قرار داده شده است. (I) طیف SERS 100 میکرومولار UA در دمای 21 درجه و 45 درجه سانتیگراد جمع آوری شده است. میله های مقیاس، 1 سانتی متر. اعتبار: پیشرفت علم (2022). DOI: 10.1126/sciadv.abn1736
نمایش برنامه عکس‌های (A) دستگاهی که به‌طور منطبق بر روی ساعد سوژه انسان لایه‌گذاری شده است، (B) تحت تغییر شکل، و (C و D) یک طیف‌سنج رامان قابل حمل با یک پروب فیبر انعطاف‌پذیر برای جمع‌آوری طیف‌ها. طیف SERS 100 میکرومولار UA با تغییر فاصله بین منبع لیزر و حسگر پلاسمونیک (E) قبل و (F) بعد از نرمال‌سازی طیف. (G) مقایسه طیف‌های SERS جمع‌آوری‌شده با طیف‌سنج‌های رومیزی و قابل حمل. (H) عکسی از دستگاه پس از پوشیدن یک انسان سالم و ورزش به مدت 20 دقیقه. (I) طیف SERS از عرق جمع آوری شده از حسگر S1 در (H). میله های مقیاس، 1 سانتی متر. اعتبار: پیشرفت علم (2022). DOI: 10.1126/sciadv.abn1736

اثبات مفهوم و چشم انداز

چسب نرم و فوق نازک قابل کشش دو طرفه و دستگاه سیال کاغذی محصور شده با PDMS یک پلت فرم منعطف با عملکرد ذاتاً مونتاژ شده ارائه می دهد که در برابر تغییر شکل مکانیکی و تغییرات دما مقاومت می کند. به عنوان اثبات مفهوم، محققان عملکرد دستگاه های کاغذی سیال را برای جمع آوری و تجزیه و تحلیل عرق در انسان های سالم آزمایش کردند. آزمودنی ها به دلیل ساختار مکانیکی نرم، دستگاه را با استفاده از آن در هر مکانی به راحتی می پوشیدند. این تیم غلظت 28 میکرومتر عرق را در افراد سالم تعیین کرد. به این ترتیب، Umesha Mogera و همکارانش یک پلت فرم کاغذی پلاسمونیک پوشیدنی برای جمع آوری عرق، حمل و نقل، ذخیره و انجام آنالیز بیوشیمیایی بدون برچسب در زمان واقعی ایجاد کردند. SERS یک اثر انگشت شیمیایی از متابولیت‌های عرق را بدون ترکیب عناصر تشخیص زیستی ارائه کرد. این تیم از این تنظیمات برای اندازه گیری حساسیت و کمی کردن غلظت اسید اوریک به اندازه 1 میکرومتر استفاده کردند. آنها پیشرفت‌های آینده سیستم‌های بازخوانی نوری کوچک و پوشیدنی را برای پیشبرد دستگاه‌های پلاسمونیک به کاربردهای دنیای واقعی برای تشخیص بیماری و نظارت بر سلامت متصور هستند.

دستگاهی روی پوست برای اندازه‌گیری عرق – میزان، از دست دادن و دما – در زمان واقعی

اطلاعات بیشتر:
Umesha Mogera و همکاران، میکروسیال های مبتنی بر کاغذ پلاسمونیک پوشیدنی برای تجزیه و تحلیل مداوم عرق، پیشرفت علم (2022). DOI: 10.1126/sciadv.abn1736

Yiran Yang و همکاران، یک حسگر پوشیدنی حکاکی شده با لیزر برای تشخیص حساس اسید اوریک و تیروزین در عرق، بیوتکنولوژی طبیعت (2019). DOI: 10.1038/s41587-019-0321-x

نقل قول: میکروسیال‌های پوشیدنی مبتنی بر کاغذ پلاسمونیک برای تجزیه و تحلیل عرق (2022، 30 مارس) در 30 مارس 2022 از https://medicalxpress.com/news/2022-03-wearable-plasmonic-paper-based-microfluidics-analysis.html بازیابی شده است.

این برگه یا سند یا نوشته تحت پوشش قانون کپی رایت است. به غیر از هرگونه معامله منصفانه به منظور مطالعه یا تحقیق خصوصی، هیچ بخشی بدون اجازه کتبی قابل تکثیر نیست. محتوای مذکور فقط به هدف اطلاع رسانی ایجاد شده است.