El revolucionario sensor inteligente mejora el monitoreo de heridas con un seguimiento preciso de la temperatura y la tensión

Facultad de Ingeniería de Penn State, University Park, PA

El sensor flexible, ideal para su uso en el cuerpo humano, utiliza grafeno inducido por láser para medir de forma simultánea pero por separado la temperatura y la tensión, lo que potencialmente permite un mejor seguimiento de la curación de heridas al proporcionar información más clara sobre la inflamación y la recuperación. (Imagen:Jennifer M. McCann)

Un desafío importante en los sensores portátiles autoalimentados para el monitoreo de la atención médica es distinguir diferentes señales cuando ocurren al mismo tiempo. Investigadores de Penn State y la Universidad Tecnológica de Hebei en China abordaron este problema descubriendo una nueva propiedad de un material sensor, lo que permitió al equipo desarrollar un nuevo tipo de sensor flexible que puede medir con precisión tanto la temperatura como la tensión física simultáneamente pero por separado para identificar con mayor precisión varias señales.

"Este material sensor único que hemos desarrollado tiene aplicaciones potencialmente importantes en el monitoreo de la atención médica", dijo Huanyu "Larry" Cheng, profesor asociado de Ciencias de la Ingeniería y Mecánica (ESM) de James L. Henderson, Jr. Memorial en Penn State y coautor correspondiente del estudio publicado en Nature Communications. "Al medir con precisión tanto los cambios de temperatura como la deformación física o la tensión creada por una herida en proceso de curación y medir eso separando las dos señales, se podría revolucionar el seguimiento de la curación de la herida. Los médicos podrían obtener una imagen mucho más clara del proceso de curación, identificando problemas como la inflamación desde el principio".

Los investigadores se propusieron medir con precisión las señales de temperatura y tensión sin interferencias mediante el uso de grafeno inducido por láser (LIG), un material bidimensional (2D). Como todos los materiales 2D, incluido el grafeno normal, el grafeno inducido por láser tiene un espesor de uno a unos pocos átomos y tiene propiedades únicas, pero con una peculiaridad. El grafeno inducido por láser se forma cuando un láser calienta ciertos materiales ricos en carbono, como el plástico o la madera, de una manera que convierte su superficie en una estructura de grafeno. Básicamente, el láser "escribe" el grafeno directamente sobre el material, lo que lo convierte en una forma sencilla y escalable de producir patrones de grafeno para dispositivos electrónicos, sensores y de energía.

LIG se ha utilizado antes en diversas aplicaciones. Anteriormente, Cheng y su equipo lo utilizaron para sensores de gas, detectores electroquímicos para análisis de sudor, supercondensadores y más. Sin embargo, los investigadores creen haber descubierto una nueva propiedad de LIG que lo hace ideal como sensor preciso y multipropósito.

"En nuestro estudio, nos topamos con el hecho de que este material también tiene propiedades termoeléctricas", dijo Cheng. "Creemos que esta es la primera vez que alguien informa que el grafeno inducido por láser tiene capacidades termoeléctricas. Y eso es realmente importante para lo que estamos tratando de hacer aquí, que es medir por separado tanto los cambios de temperatura como la tensión física o la deformación".

Las propiedades termoeléctricas de un material se refieren a la capacidad de convertir diferencias de temperatura en voltaje eléctrico y viceversa, lo que permite utilizar dichos materiales para aplicaciones como recolección de energía y detección de temperatura. Según Cheng, esta propiedad termoeléctrica recientemente identificada de LIG facilita la separación de las mediciones de dos sensores, por lo que es ideal para aplicaciones de atención médica, como un sensor incrustado en un vendaje.

"Cuando se tienen materiales que son sensibles tanto a la temperatura como a la tensión, puede resultar complicado saber qué señal es causada por cambios en el material", dijo Cheng. "Pero al utilizar este efecto termoeléctrico en el grafeno inducido por láser, básicamente podemos desacoplar esas dos mediciones. Podemos observar la resistencia eléctrica para obtener información sobre la tensión, al mismo tiempo que medimos el voltaje térmico para determinar la temperatura. Es por eso que los médicos podrían usarlo para rastrear tanto las fluctuaciones de temperatura como los cambios físicos en el sitio de la herida y obtener una imagen mucho más clara de cómo está progresando la curación".

También señaló que el sensor es muy sensible y detecta cambios de temperatura tan pequeños como 0,5 grados Celsius. El diseño del material aprovecha la forma en que el grafeno poroso y los componentes termoeléctricos trabajan juntos, lo que lo hace casi cuatro veces mejor a la hora de convertir el calor en electricidad. El sensor también puede estirarse hasta un 45 por ciento, así como adaptarse a diferentes formas y superficies, sin perder su función.

"La estructura porosa de este material crea muchos espacios y canales diminutos que le permiten interactuar con su entorno de una manera muy sensible", dijo Cheng. "Esto lo hace muy adecuado para interconectarse con tejidos blandos humanos, en contraste con materiales termoeléctricos más rígidos, como los de base cerámica".

Dado que el aspecto termoeléctrico de LIG significa que puede generar energía eléctrica cuando hay una diferencia de temperatura, los sensores LIG son autoalimentados. Según Cheng, esto podría resultar especialmente útil para la monitorización continua en entornos clínicos y para otras aplicaciones, como ayudar a detectar incendios en ubicaciones remotas.

Además de perfeccionar el sensor, el equipo está desarrollando un sistema inalámbrico que permitirá a las personas monitorear los datos del sensor de forma remota. Esto permitirá realizar un seguimiento de información importante, como la temperatura o la tensión, en tiempo real mediante teléfonos inteligentes u otros dispositivos.

"Por ejemplo, un médico podría controlar el estado de un paciente a distancia, o los servicios de emergencia podrían recibir alertas sobre cambios peligrosos de temperatura", dijo Cheng. "Estos avances tienen como objetivo hacer que la tecnología sea más accesible y efectiva, ayudando a mejorar el control de la salud y la seguridad en situaciones cotidianas".

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