Microfluidos plasmónicos portátiles basados ​​en papel para el análisis del sudor

Los sensores de sudor portátiles juegan un papel importante para la información clínicamente significativa relativa a la salud y la enfermedad de las personas. Si bien los sensores se basan principalmente en enzimas y anticuerpos para lograr la cuantificación específica de biomarcadores de estrés, las enzimas y los anticuerpos pueden degradarse, lo que contribuye a un rendimiento deficiente. En un nuevo informe publicado ahora en Avances de la ciencia, Umesha Mogera y un equipo de científicos en Ingeniería Biomédica de la Universidad Texas A&M, Texas, EE. UU., presentaron un sistema de microfluidos portátil basado en papel plasmónico para analizar la pérdida de sudor, la tasa de sudor y sus metabolitos constituyentes, de forma continua y simultánea. El equipo desarrolló sensores plasmónicos basados ​​en espectroscopía Raman mejorada de superficie sin etiquetas para proporcionar una huella química para la identificación de analitos. Mostraron sensibilidad de detección y cuantificación de ácido úrico en el sudor a concentraciones fisiológicas y patológicas, y facilitaron la cuantificación precisa de los parámetros de interés. Diseñaron el dispositivo plasmónico portátil para que sea suave, flexible y estirable para cubrir la piel sin inducir irritaciones químicas o físicas.

Medición de ácido úrico para el manejo de enfermedades

Los científicos de materiales han desarrollado una gama de sensores fisiológicos para medir continuamente biomarcadores físicos y químicos con aplicaciones en el diagnóstico de enfermedades, monitoreo de la salud y Medicina personalizada. Usable sensores de sudor puede medir varios químicos en el sudor, incluidos electrolitos, metabolitos, metales pesados, drogas y hormonas para comprender el impacto fisiopatológico en el cuerpo humano. los concentración de cloruro en el sudor puede proporcionar parámetros de detección de diagnóstico estándar para la fibrosis quística, mientras que la cuantificación de la glucosa en sudor tiene como objetivo el control de la diabetes. Del mismo modo, el ácido úrico también es un biomarcador de enfermedad cardio-renal y diabetes tipo 2. Los sensores de sudor portátiles generalmente requieren alta sensibilidad y estabilidad ambiental para cuantificar con precisión los biomarcadores. En este trabajo, Mogera et al introdujeron un sistema de microfluidos o papel-fluídico portátil basado en papel plasmónico, para capturar directamente el sudor para cuantificar de manera continua y confiable la pérdida de sudor, la tasa de sudoración y los analitos en el sudor, en tiempo real. Los científicos utilizaron espectroscopia Raman mejorada en superficie (SERS) para cuantificar la concentración de ácido úrico en concentraciones fisiológica y patológicamente relevantes basadas en el nanosensor plasmónico integrado. El equipo mostró los modos de incorporar dispositivos de fluidos de papel plasmónicos delgados, suaves y flexibles para cuantificar analitos de concentraciones variables.

Diseño del dispositivo de fluidos de papel plasmónico portátil
Mogera et al desarrollaron el dispositivo de fluidos de papel laminado, ultradelgado y suave para la recolección de sudor en la muñeca, para el transporte, almacenamiento y análisis bioquímicos en tiempo real y sin etiquetas utilizando un espectrómetro Raman portátil. El dispositivo mostró varias ventajas con varias capas funcionales, incluido un adhesivo de doble cara, una capa de microfluidos de papel bloqueado con láser, sensores plasmónicos y una capa de encapsulación. El equipo usó un papel de cromatografía de celulosa con un diseño en forma de serpentina para que sirviera como un canal de microfluidos eficaz que transportaba el sudor excretado a través del medio poroso sin fuerza externa ni presión de entrada. El diseño serpentino facilitó la flexibilidad y la capacidad de estiramiento para acomodar el movimiento de la piel sin tensión interfacial ni degradación del dispositivo. Usando sensores plasmónicos instalados en diferentes ubicaciones del canal de microfluidos de papel, los investigadores cuantificaron la concentración de analitos en el sudor en diferentes puntos de tiempo usando espectroscopia Raman. En particular, el adhesivo de doble cara de carbono negro bloqueó el daño del láser para evitar la irritación de la piel durante las mediciones de espectroscopia Raman in situ. Mogera et al agregaron una gota de 10 µL de agua y permitieron que el fluido pasara a través del primer sensor plasmónico en un minuto. Para los sensores plasmónicos, utilizaron papel de cromatografía adsorbido con nanorods de oro descritos como AUNR, que sintetizaron y facilitaron la retención en el papel a través de interacciones electrostáticas y las fuerzas de van der Waals.

Características de flujo, optimización plasmónica y sensibilidad en dispositivos paperfluidic

Luego, el equipo de investigación cuantificó el volumen y la tasa de sudor a través de las características de flujo del papel serpentino microfluídico intercalado entre una encapsulación superior hecha de polidimetilsiloxano (PDMS) y capas adhesivas inferiores. El volumen de absorción de fluido fue linealmente proporcional al ancho del papel y la distancia de recorrido del líquido, para un grosor de papel dado. Los científicos caracterizaron la cinética líquida del papel microfluídico para cuantificar la tasa de sudoración en tiempo real y cuantificaron el volumen y la tasa, que dependían de la ubicación del dispositivo montado en el cuerpo. Mogera et al diseñaron y caracterizaron el papel AUNR (nanorod de oro) intercalado entre un papel microfluídico y PDMS para la detección de alta sensibilidad de ácido úrico a través de SERS (espectroscopia Raman mejorada en superficie). La concentración osciló entre concentraciones fisiológicas y patológicas en el sudor para personas sanas y para aquellas con gota e hiperuricemia. Destacaron un cambio en la intensidad después de los cambios en la concentración de ácido úrico para confirmar la capacidad de cuantificar las concentraciones de ácido úrico que varían con el tiempo en el dispositivo.

Prueba de concepto y perspectiva

El adhesivo de doble cara elástico, suave y ultrafino, y el dispositivo de fluidos de papel encapsulado en PDMS proporcionaron una plataforma flexible con una funcionalidad inherentemente ensamblada, que soportó la deformación mecánica y las variaciones de temperatura. Como prueba de concepto, los investigadores probaron el rendimiento de los dispositivos de fluidos de papel para la recolección y el análisis del sudor en humanos sanos. Los sujetos usaron el dispositivo fácilmente aplicándolo en cualquier lugar, debido a su construcción mecánica suave. El equipo cuantificó una concentración de sudor de 28 µm en individuos sanos. De esta manera, Umesha Mogera y sus colegas establecieron una plataforma de fluidos de papel plasmónico portátil para recolectar sudor, transportar, almacenar y realizar análisis bioquímicos en tiempo real y sin etiquetas. El SERS proporcionó una huella digital química de los metabolitos del sudor sin incorporar ningún elemento de biorreconocimiento. El equipo usó la configuración para medir la sensibilidad y cuantificar las concentraciones de ácido úrico tan bajas como 1 µm. Visualizan futuros avances de sistemas de lectura óptica miniaturizados y portátiles para impulsar los dispositivos plasmónicos en aplicaciones del mundo real para el diagnóstico de enfermedades y el control de la salud.

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