Nuevos dispositivos de salud flexibles y transparentes basados en grafeno

Investigadores del Instituto de Ciencias Fotónicas de Castelldefels han desarrollado dispositivos portátiles de baja potencia que pueden monitorizar los múltiples signos vitales o la exposición a la radiación UV. El proceso de fabricación a gran escala de grafeno y puntos cuánticos demuestra que la producción masiva de estos wearables integrados de bajo coste será posible en un futuro cercano.

SINC | | 13 septiembre 2019 20:00

La pulsera fue fabricada para que se adaptara a la superficie de la piel y proporcionara una medición continua durante la actividad. / ICFO

Los nuevos dispositivos tecnológicos están priorizando sus prestaciones al seguimiento no invasivo de los signos vitales no solo para monitorizar el estado físico, sino también para la prevención de problemas de salud comunes como insuficiencia cardíaca, hipertensión y complicaciones relacionadas con el estrés, entre otros.

Sistemas portables con prestaciones tecnológicas avanzadas, basados en mecanismos de detección óptica están demostrando ser un método inestimable para informar sobre el funcionamiento interno de nuestro cuerpo y han experimentado un gran impulso de integración en el mercado de consumo.

Las tecnologías portátiles actuales, basadas en componentes no flexibles, no ofrecen la precisión deseada y solo pueden valorar un número limitado de signos vitales. Para hacer frente a este problema, los sensores ópticos no invasivos adaptables que pueden medir un conjunto más amplio de signos vitales se encuentran primeros en la lista de deseos de los usuarios finales.

Este dispositivo basado en grafeno puede funcionar sin batería ya que se carga de forma inalámbrica a través del teléfono

En un estudio publicado en Science Advances, investigadores del Instituto de Ciencias Fotónicas (ICFO) han demostrado una nueva clase de dispositivos flexibles y transparentes que se ajustan a la piel y que pueden proporcionar mediciones continuas y precisas de múltiples signos vitales.

Esta tecnología avanzada usa dos tipos de nanomateriales: el grafeno, un material altamente flexible y transparente hecho de una capa de átomos de carbono de un átomo de espesor, y una capa de absorción de luz hecha de puntos cuánticos.

Estos dispositivos pueden medir la frecuencia cardíaca, la frecuencia respiratoria y la oxigenación del pulso sanguíneo, así como la exposición a la radiación UV del sol. Mientras mide los diferentes parámetros, la lectura se visualiza y almacena con una interfaz de teléfono móvil conectada al sensor mediante bluetooth. Además, el dispositivo puede funcionar sin batería ya que se carga de forma inalámbrica a través del teléfono.

"Para nosotros era muy importante demostrar la amplia gama de aplicaciones potenciales de nuestra tecnología de detección de luz mediante la creación de varios prototipos, incluyendo la pulsera flexible y transparente, el parche de salud integrado en un teléfono móvil y el parche de monitorización UV para la exposición al sol. Estos han demostrado ser versátiles y eficientes debido a estas características únicas”, declara Emre Ozan Polat, primer autor del estudio.

Parche UV inalámbrico y sin batería que muestra de manera activa la exposición de la piel al sol. / ICFO

Al alcance de la mano en un futuro próximo

La pulsera fue fabricada de tal manera que se adaptara a la superficie de la piel y proporcionara una medición continua durante la actividad. Incorpora un sensor de luz que puede registrar el cambio en el volumen de los vasos sanguíneos debido al ciclo cardíaco, y luego extraer diferentes signos vitales como la frecuencia cardíaca, la frecuencia respiratoria y la oxigenación del pulso sanguíneo.

En segundo lugar, los investigadores han informado sobre la integración de un parche de grafeno en la pantalla de un teléfono móvil, que mide instantáneamente y muestra signos vitales en tiempo real cuando un usuario coloca un dedo en la pantalla.

Para los autores, la producción en serie de dispositivos de bajo coste estará al alcance de la mano en un futuro próximo

Una característica única del prototipo es que utiliza luz ambiental para funcionar, promoviendo un bajo consumo de energía en estos wearables integrados y, por lo tanto, permitiendo una medición continua de los marcadores de salud durante largos períodos de tiempo.

Finalmente, han podido demostrar un rango amplio de detección de longitudes de onda con esta tecnología, ampliando la funcionalidad de los prototipos más allá del rango visible. Utilizando la misma tecnología central, han fabricado un prototipo de parche UV flexible capaz de transferir de forma inalámbrica tanto energía como datos, y de operar sin baterías para detectar el índice UV ambiental.

El parche funciona con un bajo consumo de energía y cuenta con un sistema de detección de rayos UV de alta eficiencia que puede fijarse a la ropa o a la piel, y que puede utilizarse para controlar la exposición a la radiación solar, alertando al usuario en caso de sobreexposición.

"Estamos entusiasmados con las posibilidades de esta tecnología, que apunta hacia una integración escalable de los puntos cuánticos con grafeno en circuitos totalmente flexibles que mejoren la forma, la sensación, la durabilidad y el rendimiento", comenta Frank Koppens, líder del grupo de Nanooptoelectrónica Cuántica del ICFO. "Estos resultados demuestran que esta plataforma flexible y portátil es compatible con procesos de fabricación escalables, lo que sugiere que la producción en serie de dispositivos de bajo coste estará al alcance de la mano en un futuro próximo".

Referencia bibliográfica:

Flexible graphene photodetectors for wearable fitness monitoring, SCIENCE ADVANCES Polat et al., Sci. Adv. 2019; 5 : eaaw7846

Este trabajo ha sido financiado por la Fundación Cellex, por la ayuda del Consejo Europeo de Investigación (ERC) Proof of Concept “GRAPHEALTH”, y por el Graphene Flagship.