Disponible à la demande, en abondance et contenant plusieurs biomarqueurs, la sueur est un moyen de plus en plus attrayant pour surveiller la santé, selon les chercheurs de Penn State. Mais tout le monde – en particulier les patients gravement malades – ne peut pas constituer suffisamment de sueur pour fournir un échantillon suffisamment robuste pour les techniques d'analyse actuelles. Ce n'est peut-être plus un problème, grâce à l'équipe de Penn State qui a développé un nouveau capteur portable capable de surveiller en continu de faibles taux de transpiration pour la présence d'un lactate – une molécule utilisée par le corps pour décomposer les sucres pour l'énergie. Ce biomarqueur peut indiquer la famine en oxygène dans les tissus du corps, qui est un indicateur de performance clé pour les athlètes ainsi qu'un signe potentiel de conditions graves telles que la septicémie ou la défaillance d'organes.
Les chercheurs ont publié leur approche dans la revue Petit. Ils ont rapporté que leur appareil, pour lequel ils ont déposé un brevet, se trouvent à la surface de la peau comme un pansement et peuvent collecter jusqu'à 10 fois la quantité de sueur à partir d'activités de faible intensité comme la marche, ou même la pose ou la réponse aux e-mails, par rapport à d'autres capteurs de sueur portables.
La sueur offre une source de biomarqueurs que nous pouvons surveiller via des systèmes non invasifs en temps presque réel pour que le corps fonctionne pendant l'exercice ou pour surveiller ou gérer divers problèmes de santé. Le défi consiste à comprendre comment collecter la sueur lorsque la personne ne transpire pas autant, et nous avons résolu ce défi en gérant une plate-forme avec des hydrogels granulaires, développé par le groupe de recherche du professeur Amir Sheikhi, capable de collecter la sueur même dans des conditions de faible intensité, comme la vérification des e-mails ou la pose. «
Farnaz Lorestani, auteur de co-correspondant, Professeur de recherche adjoint de sciences de l'ingénierie et de mécanique à Penn State
Sheikhi, le Dorothy Foehr Huck et J. Lloyd Huck Early Career Chair en biomatériaux et génie régénératif et professeur agrégé d'ingénierie chimique à Penn State, est co-corponding auteur de ce document.
Dans des conditions de faible intensité, Lorestani a déclaré, la plupart des gens transpirent de 10 à 100 nanolitres par minute par centimètre carré de peau – nettement plus petit que le liquide dans une chute de déchirure. Les dispositifs de surveillance conventionnels utilisent un hydrogel – une matrice de molécules appelées polymères combinés avec de l'eau pour absorber et filtrer les échantillons – pour absorber l'échantillon et le traiter via un capteur de graphène induit par laser (LIG). LIG implique l'utilisation d'un laser pour convertir le dioxyde de carbone en modèles spécifiques de couches de carbone atomiquement minces appelées graphène, qui est très sensible et peut être équipée de détecteurs pour identifier avec précision les biomolécules. Le problème, selon Lorestani, est que cette approche échoue avec de petits échantillons de sueur car le liquide est perdu pendant le processus d'absorption.
Pour résoudre ce problème, les chercheurs ont apporté deux modifications clés. Premièrement, au lieu de l'hydrogel typique, ils ont utilisé un échafaudage hydrogel granulaire, comprenant des particules d'hydrogel à micros à l'échelle coincée appelés microgels qui sont liés les uns aux autres. Cette technologie s'appuie sur les travaux antérieurs de Sheikhi sur les biomatériaux granulaires à base de protéines pour l'ingénierie et la régénération tissulaire. Pour le deuxième changement, les chercheurs ont situé l'échafaudage pour se nourrir dans la chambre microfluidique fabriquée en motivant Lig dans une spirale compacte, dont la conception augmente la surface pour améliorer le transport des fluides et minimiser la perte de sueur. L'échafaudage se trouve sur la peau, attachée par un adhésif en matière de peau, où il recueille la transpiration de la surface de la peau. Cette sueur est absorbée par l'hydrogel granulaire, qui le transporte dans la chambre microfluidique, où il se rend au capteur qui peut identifier le lactate.
« Nous avons émis l'hypothèse que le milieu poreux dans l'échafaudage hydrogel granulaire augmente la capacité d'absorption par rapport aux matériaux d'hydrogel précédemment utilisés », a déclaré Lorestani. Elle a expliqué que cela est probablement dû aux minuscules espaces vides entre les sphères granulaires, qui permettent l'absorption du fluide conduite par capillaire – le même phénomène qui évoque l'eau de la plante des racines de sa tige. « La conception du canal microfluidique en forme de bobine compacte contribue également à la précision et à la sensibilité. »
Surtout, Lorestani a déclaré, ils ont également conçu l'appareil – de la taille d'un pansement standard et fait de matériaux rentables – pour être confortable, avec une sensation presque « cutanée ». L'équipe a testé sa conception en appliquant le capteur flexible aux individus et en les surveillant dans diverses conditions, du travail de bureau sédentaire aux activités quotidiennes à la conduite d'un vélo stationnaire. Dans les conditions, les chercheurs ont constaté que l'appareil pouvait absorber suffisamment de sueur pour identifier avec précision la présence de lactate dans les deux heures.
« La démonstration de preuve de concept présente une plate-forme de détection flexible rentable, sensible et polyvalente pour la détection précoce des biomarqueurs, où la production de transpiration est minimale ou sporadique, comme au repos ou pendant de légères activités physiques », a déclaré Lorestani, expliquant que la plate-forme pourrait être adaptée pour détecter d'autres biomarqueurs en modifiant le capteur de l'une pour un monde à un autre. « Dans l'ensemble, notre objectif est de construire une société plus saine en rendant le suivi de la santé non invasif, continu et personnalisé plus accessible à tout le monde – et ce travail est un pas dans cette direction. »
Les autres contributeurs incluent la co-prime auteur Xianzhe Zhang, étudiante au doctorat en sciences de l'ingénierie et en mécanique; Zaman Ataie, doctorant en génie chimique; Alexander Kedzierski, étudiant diplômé en génie biomédical; Yushen Liu, étudiant diplômé en sciences de l'ingénierie et mécanicien; Aarón López, étudiant de premier cycle spécialisé en génie chimique; Ankan Dutta, doctorante en sciences de l'ingénierie et mécanicien; Kyle Kacala, étudiante diplômée en sciences de l'ingénierie et mécanicien; Zhenyuan Niu, diplômé de Penn State en 2023 et poursuit actuellement un doctorat à l'Université Purdue; et l'auteur de co-corresponding Huanyu « Larry » Cheng, le James L. Henderson, Jr. Memorial, professeur agrégé de sciences et de mécanique d'ingénierie.
López est également affilié à Tecnun Universidad de Navarra en Espagne; Dutta avec le Penn State Center for Neural Engineering; Sheikhi avec les départements de Penn State en génie biomédical, de la chimie et de la neurochirurgie et des Huck Institutes of the Life Sciences; et Cheng avec le département de génie biomédical de Penn State.
Ce travail a été soutenu par les National Institutes of Health, la US National Science Foundation et Penn State via la Fellowship de Leighton Riess Graduate; la bourse diplômée de Diefenderfer en entrepreneuriat; le centre de convergence pour les systèmes de matériaux multifonctionnels vivants; le groupe d'excellence, les systèmes de matériaux vivants, adaptatifs et énergétiques vivant le programme de subventions à la recherche en collaboration de matériaux multifonctionnels; L'Institut de recherche sur les matériaux; et le Collège des matériaux d'ingénierie comptent au programme de subventions de semences de niveau humain.
